第 8章 波分复用技术
?WDM工作原理
?WDM系统的基本组成
?WDM系统中的关键器件
?波分复用系统规范
8.1.1 WDM工作原理
WDM技术，就是以光波作为载波，在同一根光纤内同时
传输多个不同波长的光载波信号的技术。每个波长的光波
都可以单独携带语音、数据和图像信号，因此,WDM技
术可以让单根光纤的传输容量获得倍增。图 8.1.1所示为点
到点 WDM传输系统工作原理框图。在发送端,n个光发射
机分别工作在 n个不同波长上，这 n个波长间有适当的间隔
分隔,分别记为 λ1,λ2,...,λn。这 n个光波作为载波分别被
信号调制而携带信息。一个波分复用器（也称合波器
Multiplexer）将这些不同波长的光载波信号进行合并，耦
合入单模光纤。在接收部分由一个解复用器 (也称为分波
器 De-multiplexer) 将不同波长的光载波信号分开，送入各
自的接收机进行检测。
8.1 WDM工作原理
图 8.1.1
WDM工
作原理
框图
波
分
复
用
器
解
复
用
器
光纤
λ 1
λ 2
λ 3
λ n
λ 1
λ 2
λ 3
λ n
… …
λ 1 λ 2,.,λ n
为帮助了解 WDM的潜在通信容量，我们回忆一下普通单模石英光纤中光传输
损耗与波长的关系（见图 1.1.3）。根据此图我们知道，在长波长波段，光纤有
两个低损耗传输窗口即 1310nm和 1550nm窗口。这两个窗口的波长范围分别从
1270nm 到 1350nm和 1480nm到 1600nm，分别对应着 80nm和 120nm的谱宽范
围。而目前光纤通信系统中所使用的高质量的 1550nm的光源，其调制后的输
出谱线宽度最大不超过 0.2nm，考虑到老化及温度引起的波长漂移，给出约
0.4nm~1.6nm的谱宽富余量，应是合乎情理的。即使这样，单个系统的谱宽也
只占用了光纤传输带宽的几十分之一到几百分之一。为充分利用单模光纤的低
损耗区的巨大带宽资源，在光纤低损耗窗口采用多个相互间有一定的波长间隔
的激光器作为光源，经各光源调制的信号同时在光纤中传播，这就是 WDM技
术。可以说,WDM技术使得光纤具有巨大带宽这一优点得以充分体现。以一
种工作在 1550nm的窄线宽 DFB激光器为例，它可在 0.8nm的谱带内发射信号，
因此在 1525nm~1565nm共 40nm的范围内,WDM系统可传送 50个信道。若每
个信道的传输速率为 10Gbit/s，则系统总的传输速率即为 50× 10Gbit/s，比单
信道传输的容量增加了 50倍。
1,WDM与 DWDM
早期的 WDM系统在 1310nm和 1550nm两个窗口上实现复用，波长间隔为
240nm。目前，由于还没有在 1310nm窗口的实用化的光放大器，而商
用化的掺铒光纤放大器（ EDFA）的增益窗口在 1550nm附近，所以现在
的 WDM技术一般是指在 1550nm窗口附近波长的复用。在普通的 WDM技
术中，所采用的波长间隔 (指相邻的两个通道的工作波长之差 )一般约为
4~10nm。随着 WDM技术的发展，一个新的名词 —— DWDM常常出现。
DWDM意思为密集波分复用 (Dense Wavelength Division Multiplexing)。
它与 WDM技术的主要区别在于 DWDM中使用的波长间隔很小，常常小
于 1.6nm，如 0.8nm。有些公司的产品达到 0.4nm甚至于 0.2nm。，
DWDM也主要指在 1550nm窗口附近的复用技术。
由于光波的波长因传输介质不同而发生改变，而光波的频率却是固定不
变的，所以，国际电信联盟 (ITU)在制定有关 WDM标准和建议时,采用频
率间隔而不采用波长间隔。波长间隔与频率间隔之间的关系可以由
(1.5.1) 式近似得到。根据此关系式，在 1550nm附近的频率间隔分别为
200GHz,100GHz,50GHz和 25GHz的系统，对应的波长间隔分别约为
1.6nm,0.8nm,0.4nm和 0.2nm。
关于 DWDM技术在 1550窗口附近各信道的光波频率、波长及频率间隔（波
长间隔）等,ITU提出了相关的建议和标准，即 ITU-T G.692，见表 8.1。
8.1.2 WDM﹑ DWDM与 CWDM
DWDM技术中各波长间的间隔很小，在光纤的低损耗窗口
可以传输的信道数就更多，所以系统的传输容量就更高。但正是
因为复用的波长间隔减小,DWDM系统要求光源有精确的波长及
很好的波长稳定性，这样，系统一方面需采用价格昂贵的激光器，
另一方面需采用复杂的控制技术对其进行控制；同时系统对波分
复用器和解复用器的性能也提出了更高的要求，如带宽更窄、稳
定性更高等。因此，系统的造价就大大提高。由于高性能和高价
格,DWDM比较适用于长途干线传输系统。
2,CWDM
近年来，宽带城域网正成为电信和网络建设的热点。由于城域
网传输距离短，业务接口复杂多样化，如果照搬应用于长途传输
的 DWDM技术，会带来成本上的大幅度提高。粗波分复用或称稀
疏波分复用 CWDM技术在系统成本、性能及可维护性等方面具有
优势,正逐渐成为今后日益增长的城域网市场的主流技术。
CWDM的信道波长间隔约 20nm。由于信道间隔较宽，由激光器的
波长漂移而带来的信道串扰对系统的影响较小，所以,CWDM可采用
不带冷却器的半导体激光器。这种半导体激光器一般是由激光器芯片
和密封在带有玻璃窗口的金属容器中的监控光电二极管构成的，因而
也无须采用比较复杂的控制技术。这两方面的原因使发射机体积只有
DWDM发射机的五分之一。 CWDM对复用器的选择也很宽松，只需
用粗波分复用器和解复用器。由于器件成本和系统要求的降低，使得
实现起来也更加容易。
ITU针对 CWDM的工作波长（频率）通过了 G.694.2建议，如表 8.2
所示。从表中可见，激光器的工作波长从 1270nm开始到 1610nm结束，
共有十八个通道，覆盖了 O,E,S,C,L共五个波段。
8,2 WDM系统的基本组成
从上一节 WDM的工作原理我们了解到, WDM系统必须有工作在不同波长
上的激光器, 有能够将不同波长的光信号进行合并 ﹑ 选择和分路的波分复用
器和解复用器, 还有有光接收机将解复用后的光信号进行光电检测, 原出原
始信号 。 若要传输更长的距离, 则还需要能够将各路光信号同时进行放大的
放大器等 。 图 8.2.1示出了一个包含有功率光放大器, 在线光放大器和前置光
放大器的单向传输 WDM系统 。 其中, Tx表示发射机 （ Transmitter）,Rx表示
接收机 （ Receiver） 。 OC-192表示光层的传输速率, 参见第 9章表 9.5所示 。
除了上述的几个部分以外,WDM系统还应有光监控部分和网络管理部分。
WDM系统可以有双纤单向传输和单纤双向传输。双纤单向传输指的是一根光
纤完成一个方向的传输，而另一根光纤则完成反方向的传输。由于两个方向
的传输分别由两根光纤完成，因此，同一个波长可以在两个方向上同时被利
用。单纤双向传输则是由同一根光纤完成两个方向上的信号传输，两个方向
的信号必须分配不同的波长。同一波长不能被两个方向的信号同时利用。一
般来说，目前采用的大多数为双纤单向传输。单纤双向传输在纤芯数量较少
的情况下采用，并且在系统设计时要考虑光反射 ﹑ 多次通过干扰 ﹑ 串扰及两
个方向传输的功率电平值等问题。
8,3 WDM系统中的关键器件
1,WDM系统对光源的要求
目前的光纤通信系统所采用的光源一般有半导体发光二极管 (LED)和
半导体激光器 (LD)。通过学习第一章和第三章的内容我们已经知道，
LED与 LD的特性有很大的不同。 LED所产生的光不是单波长的光，谱
线很宽，约为 50~100nm； LED的输出功率比激光器低很多； LED的最
高调制速率约为几百 Mbit/s。因此,LED不适合作为 WDM系统的光源。
LD输出虽然不是理想的单波长的光，但其谱线宽度却可以达到很窄。
虽然普通的 F-P腔 LD的谱宽约为 8nm，但具有布拉格光栅的高质量的
DFB或 DBR LD的谱宽可达 10-3nm，即使考虑因调制而产生的啁啾所导
致的谱线展宽，其调制后的输出谱线宽度最大也不超过 0.2nm。所以，
只有 LD才能满足 WDM系统对于光源波长的要求。另一方面,LD的调制
频率可达数 Gbit/s，特别适合于高速传输系统。与此同时,LD输出的光
功率要比 LED高很多，而且由于输出的光为相干光，大部分光能量很容
易被耦合进光纤中，因而信号可以传输更远的距离。
8.3.1 WDM系统中的光源
具体说来,WDM系统对激光器的要求除了象在普通的光纤通信系统中的一般
要求外，还有其特殊的要求，即：
（ 1）具有波长调谐特性和尽可能窄的线宽。如表 8.1所示的那样,WDM系统
中各发射机工作的频率及相互间的频率间隔（或波长间隔）有严格的规定，
激光器的工作波长必须按照 ITU-T的相关规定，而线宽必须小于所规定的频率
间隔。
（ 2）尽可能高的边模抑制比。一般要求至少大于 35dB或 40dB。
（ 3）激光器必须单纵模工作。
（ 4）激光器的频率啁啾必须尽可能小。我们知道，半导体激光器的直接调制
会引起频率啁啾，即发射波长随调制电流的变化而变化。在 WDM系统中，该
啁啾会引起串扰，必须被消除。由于啁啾，直接调制不适合于传输速率大于
10Gbit/s的 WDM系统。可通过采用外调制器的办法来避免啁啾的影响。
（ 5）激光器的波长和输出功率必须稳定。但是,DFB LD的激射波长对温度
和反射光很敏感。温度的变化和反射光会引起 LD中心波长的漂移，对相邻通
道的信号造成串扰。因此，波分复用系统特别是密集波分复用系统对光源波
长的稳定性提出了很高的要求。通常，在封装好的 LD中有温度传感和制冷装
置，与外加控制电路相接可使 LD工作在恒定温度上以实现对波长的控制。而
反射光的控制可以通过在 LD的前面放置隔离器及在尾纤输出端采用带有角度
的连接器 APC（ Angle Polishing Connector）来实现。
（ 6）尽可能的小的相对强度噪声 RIN。
（ 7）尽可能低的功耗。
目前在大多数 WDM系统中使用的光源为 DFB LD。
2,可作为 WDM系统光源的激光器件
WDM系统对激光器有如此严格的要求，那么，如何使 LD发射的波长恰好满足
ITU-T的规定呢？我们从半导体激光器的工作原理知道,LD发射的光波波长范
围取决于半导体材料的带隙，而精确的波长则由 LD的谐振腔决定。在设计制
作器件时，通过调节 DFB LD中布拉格光栅的周期来调节中心波长，使其工作
在规定的波长上。同时由于材料的折射率随着电流和温度的变化而变化，导
致等效腔长发生变化。通过改变电流和温度参数可实现工作波长的精细调节。
但是，调节工作电流无疑会改变激光器的输出功率。实际 WDM系统中常通过
微调各个分立的 LD的温度来实现波长的调谐。也可将这些分立的 LD集成在一
个芯片上，形成激光器阵列。但是，如何将这样的阵列所发出的光耦合到一
根光纤中是一个必须解决的问题。采用阵列波导光栅 AWG作复用器，与激光
器阵列集成在一个芯片上，将有可能解决上述问题。关于激光器阵列以及与
AWG集成的研究正在进行之中。
在 WDM系统中理想的光源应能够按照需要调节到不同的波长上。温度的调节
只能实现微调。当这种微调不能使 LD工作在需要的波长上时，这个激光器
就不能在 WDM系统中应用。如果激光器可调谐，且调谐范围足够宽，可工
作在 1550nm窗口任意一个波长上，这样的可调谐激光器就成为理想的光
源。实现宽的调谐范围有以下几种方法。
采用分段式 DBR LD
图 8.3.2为一个三段式 DBR LD的示意图。三段分别为有源段 ﹑ 相位段和布拉
格段，各段之间彼此电隔离，并且通过各自独立的电极来提供电流，三段
作为一个整体形成一个光学谐振腔。有源段为高掺杂区，为激光器提供增
益。相位段为无源区，为光波提供相位移。只有那些在谐振腔内往返一次
相位移等于 2π的整数倍的光波才能形成震荡。若改变相位段的电流 I2，就
改变了相位，也就等效于改变了谐振腔的光学长度，因而改变了谐振波长。
布拉格段也为无源区，电流的改变引起该段材料的有效折射率发生改变，
从而引起布拉格波长的改变。调谐范围可用下式进行计算：
eff
eff
n
n???
?
?
其中,??为波长调谐范围,?neff 为有效折射率的改变量,?和 neff分别表
示激光器的工作波长和有效折射率。实际中，折射率的最大改变量约为 1%，
因此，波长最大可调谐范围在 10nm量级。
进一步扩大调谐范围, 可采用四段式 DBR LD,如图 8.3.3（ a） 所示 。 这种激
光器叫做 GCSR（ Grating Coupler Sampled Reflector） 激光器 。 比起三段式
DBR LD,它多了一个耦合段 。 该耦合段中除了有一个平面波导结构 （ 我们称
之为下波导 ） 外, 在其上部还有一个周期为 15μm的光栅 （ 我们称之为上波导
或光栅波导 ） 。 该耦合段用于对波长进行粗调, 相位段仍然负责波长的精细
调解, 布拉格反射器段有一个取样光栅, 对波长的调谐介于粗调和细调之间 。
各段的截面图也示于图中 。 从增益段出射的激光进入耦合段的下波导中, 根
据耦合波理论, 在下波导中的光波将耦合进上面的光栅波导中, 由于光栅的
波长选择作用, 只有满足布拉格条件的光波才能被选择进光栅 。 其余的光波
则沿着下波导向前传播进入相位段和反射器段 。 在反射器段, 下波导的右端
面反射率做得很低, 这些光将从端面出射而损耗掉 。 那么在耦合器段进入光
栅中的光波则在相位段和反射器段的上波导中传播 。 如果传播的光波波长与
取样光栅的反射波谱中 （ 见图 8.3.3(b)） 的某个波长重叠, 则该波长的光就能
被反射回耦合段, 再通过耦合段上下波导间的横向耦合返回有源区而被放大,
最终形成激光震荡 。 因此, 可以看出, 这个激光器的谐振腔由增益段的有源
区和耦合段 ﹑ 相位段及反射器段的上波导构成 。 通过连续调节耦合段的电流,
可以使该段上波导中的光波长与反射器段取样光栅的反射波谱中的各个波长
一一重叠, 完成波长的粗调 。 粗调的波长间隔为取样光栅的反射谱间的间隔,
在本例中为 7nm,总的调谐范围为 114nm。 改变反射段的工作电流, 可以改
变取样光栅的反射光谱, 再通过联合调节耦合器段的工作电流, 则完成了波
长的较为精细的调谐, 调谐步长为 0.2nm。 更精细的调谐, 通过改变相位段的
电流来实现 。
另外，在激光器结构中添加两个采样光栅也可以达到增大调谐范围的目的。
如图 8.3.4所示为一个具有采样光栅的可调分布反馈激光器的示意图。两
个采样光栅制成彼此相互作用的可调光栅。在可调光栅中，器件产生的折
射率的变化会引起输出波长的更大变化。两个光栅产生出两套谱宽略微不
同的波长，通过改变调谐电流，可调整这两套波长，使当有一对峰彼此重
叠而相干加强时，其他峰之间发生干扰。用这种方法，谱宽调谐范围也可
以增加到 100nm。
（ 2）集成腔激光器。
这是一种很有前景的可作为 WDM系统光源的激光器，它既有很高的调谐速
度又能同时发射几个波长。图 8.3.5为这种激光器的结构示意图。激光器内有
一组有源介质作为放大器，这些介质共有一个解理腔镜。所有的放大器都被
连接到一个光复用器 /滤波器上，滤波器只有一个输出端口，该端口与激光器
的第二个解理腔镜相连。这样，每一个增益介质（放大器）与光复用器的相
应通道以及激光器的两个解理腔镜就构成了一个子激光器，发射自己的波长。
于是，整个激光器就发射很多波长，并且靠调节每个子激光器的增益介质，
就可改变所发射的波长。据报道，这样的激光器的调谐速度不大于 3ns。
值得指出的是, 可调谐外腔激光器也是一种成熟的商用光源, 在宽带测试方
面是一个很重要的光源 。 这种激光器是采用一个衍射光栅作为谐振腔的一个
反射器 。 而激光器的主体部分是一个 LD。 LD的一个端面构成了激光器的另
一个腔镜, 见图 8.3.6。 LD面向光栅的端面上镀增透膜, 该端面出射的激光
经光栅衍射后返回激光器 。 由于光栅对光波具有选择作用, 这种具有外腔的
激光器可以单纵模工作, 输出的激光的频谱宽度可以窄到几 KHz。 光栅的位
置可以移动, 以改变它与 LD之间的距离即改变腔长, 进行粗调 。 通过转动光
栅, 可以对波长进行微细调解 。 这种激光器获得了约 80nm的波长可调谐范
围 。 但是, 这种激光器的一个很大的缺点就是调谐速度很慢, 大约在毫秒量
级 。 这远不能满足 WDM系统的要求, 这也是该种激光器不用作 WDM光源而
只作为测试用光源的原因 。 另外, 外腔激光器的噪声也较大, 边模抑制比相
对较低 。
8.3.2 WDM系统中的接收机
WDM系统中的接收机同单信道系统接收机一样,担负着对信号进行光电转换、
滤波、放大的任务。其中最重要的步骤就是光电转换。 WDM系统的终端有解
复用器,将各个信道分离出来,送至接收机的各个光电二极管进行光电转换。
WDM系统对接收机有以下几点要求,
（ 1）接收机必须能工作在复用波长所覆盖的范围上。如果系统工作在 C 波段
(1530nm~1565nm)，那么，接收机的光电二极管也必须能工作在此范围。要
依据所工作的波段，合理选择光电二极管。从现在商用的 PIN或 APD的数据来
看，这个要求能够满足。但是必须注意,PIN 和 APD的波长响应函数在整个工
作范围内并不平坦，即有些波长的响应大，有些波长的响应小。这样，虽然到
达接收机的各信道的信号一样大，但是光电二极管的电输出信号却随波长而异，
最终造成不同信道的信噪比不一样，影响系统的性能。必须尽可能地使接收机
中的光电二极管 PIN 或 APD 的波长响应平坦化。
（ 2）接收机的灵敏度必须尽可能地高。与普通的单波长系统不同的是 WDM系
统有多个波长存在，对接受机灵敏度有更高的要求。 因为相邻的信道间有串扰，
串扰的存在会降低该信道的信噪比。一个接收机在单波长系统中在给定的误码
率下,其灵敏度也许可以达到要求,但却不能保证在 WDM系统和网络中也能满
足要求。要想达到相同的误码率，需要更高的信号功率,即存在功率代价问题。
所以，接收机的灵敏度要求比单个光波系统要高。
（ 3）调谐时间。在网络应用时，如有多个接入链路与 WDM相连，
我们常常需要接收机能够对所希望的某一波长携带的信号进行选择。
要实现对某一波长信号的选择常通过在接收机前加一个可调滤波器
或者用一个解复用器的办法。前者通过可调谐的滤波器对信号进行
搜索，一旦波长被搜索到，该信号就进入接收机检测。更常用的办
法就是用解复用器,(参见图 8.2.1)。解复用器将各个信道分离出来送
入各自对应的光电二极管中进行光电转换。要想得到某一个信道的
信号，就可以将电信号从一个二极管转到另一个二极管中。信号的
选择靠电的形式完成，开关时间在几个 ns 量级，能够满足网络需求。
WDM系统对接收机的其他的特性，诸如温度特性，偏振特性以及
功耗等，与在其他光纤系统中的要求一样。
8.3.3 WDM系统中的光放大器
如本章前言所述，在长途干线传输中，单波长光纤通信系统的中继
器只针对某一个波长，且只能工作在特定的速率下。当系统中有多个波
长的信号传输时，中继器将无法工作，否则必须先解复用，再对每个波
长进行中继处理。这样将导致中继器非常庞大、复杂。这是制约 WDM
技术发展的一个主要问题。要想发展波分复用技术，必须另辟途径寻找
新的解决方案。
掺铒光纤放大器 —— EDFA在光纤的低损耗传输窗口 1550nm附近约
35nm的带宽范围内具有很高的增益，可对多个光波信号同时进行在线
光放大以补偿信号在光纤中所经历的衰减，不需进行光电和电光的转换，
而且对信号的传输速率透明。因此，它 解决了 WDM系统中多信道信号
放大的问题，取代了中继器。 EDFA技术的成熟并商用化使 WDM技术
迅速发展并成为现实。
我们知道,EDFA具有带宽宽，增益高，噪声低，对偏振不敏感等优
点。在光纤通信系统中可用作后置放大器，在线放大器和前置放大器。
WDM系统中应用时必须注意以下两点：
（ 1）增益的平坦性
尽管我们说 EDFA在 1550nm 附近有近 40nm的带宽,但从它的增益谱特性
可以看出，在整个带宽范围内,其增益是不平坦的。这就是说,当 EDFA只
用于放大一个波长的信号（如在单波长系统中应用）时，具有很好的放大
特性。但是，当多个波长进入 EDFA时，由于增益的不平坦，将导致有的
信号得到的增益高，有的信号得到的增益低。那么，若在输入端各信号的
功率有微小差别,则在 EDFA的输出端，各信号的功率就会有较大差别。当
多个 EDFA进行级联时,这种功率差别就会被放大，不仅使各信道在接收
机上的信噪比不一样，而且可能导致到达接收机的信号功率超出接收机的
动态范围而使接收机无法工作。 图 8.3.7（ a）示出了这样一种情形。
为克服这个缺点，通常采用几种办法来均衡这种不平坦。早期的一种办法
叫做预均衡,通过监控系统，将输出功率的不平衡反馈到输入端，调整输
入端各信道功率。这样，经过 EDFA放大后，各信道的功率差会减小以保
证各信道在接收机的信噪比接近一致，并保证各信道的功率都落在接收机
的动态范围之内。
另外一种办法也是比较实用的办法，即在 EDFA模块中加入一个精心设计
的滤波器，使其通带特性正好能够补偿放大器的增益不平坦，从而达到平
坦放大器增益的目的。
为区别单信道应用的 EDFA(Single Channel EDFA)，这种带有滤波器的 EDFA
通常叫做 WDM用 EDFA。经过这样的放大器放大后，各个信道的信号功率在
某些工作条件下能够基本达到相等。
这种 WDM用光放大器的核心部件之一是一个能够平坦放大器增益的滤波器。
现阶段实用的滤波器主要有多层介质薄膜滤波器和光纤光栅滤波器。但这种
滤波器的损耗特性通常是固定不变的。 这样，当 EDFA在系统中应用时其增
益平坦度仍然只能在某些工作条件下得到保证，而在另外的条件下增益还是
不平坦。
例如，图 8.3.10所示为两个工作条件下某个 WDM 用 EDFA的增益特性曲线。
此时，系统中只有一个信道工作，该信道为 ITU规定的信道 37，工作波长为
1547.7nm，信道的输入功率为 -30dBm。 (a),(b)是信道增益分别为 24dB和
16dB时 EDFA的输出。在 (a)中，增益带宽内的 ASE谱平坦度约为 3.5 dB，而
(b)中却增大为 11dB。根据第五章的学习我们知道,ASE谱实际上就是输入信
号为零时的增益谱，它反映了放大器的增益谱形状，因此，我们可以推知在
两种工作条件下，这种 EDFA的增益谱的平坦度也有很大差别。而实际应用中，
EDFA的工作条件通常是根据需要改变的，在光网络中尤其如此。 这就需要
研制增益 (损耗 )可调的动态增益滤波器。这方面的技术主要有法拉第旋转体型
增益可调滤波器，波导 Mach-Zenhder 增益可调滤波器，阵列波导型和声光型
增益可调滤波器。
(2)功率暂态与自动增益控制
实际 WDM系统中，当有些信道突然出现故障掉路或在网络节点进行下 /上路
时,EDFA的输入功率就会突然减小 /增加,导致 EDFA的增益发生暂态变化，其
他信道从 EDFA得到的增益就会增大或减小，最终导致那些仍留在光纤链路上
的信道到达各自接收机的功率发生暂态变化，这就叫做功率暂态。由于 EDFA
的饱和特性，工作于饱和区的 EDFA输出光功率保持恒定，且在一定范围内不
随输入功率的变化而变化。当部分波长信号消失后，其能量会转移到其它存在
的波长信号上，使得相应信道的光功率增加，导致光纤的非线性影响加重，接
收机过载；反之，相应信道的光功率下降，误码率劣化。图 8.3.11示出了一个
WDM系统中有信道上路时，被监测信道到达接收机的功率的变化情况。从图可
以看出，被监测信道的光功率由于其他信道的上路而发生了变化。
5
5, 0 1
5, 0 2
5, 0 3
5, 0 4
5, 0 5
5, 0 6
5, 0 7
5, 0 8
0, 0 0 E+ 0 0 2, 0 0 E- 0 2 4, 0 0 E- 0 2 6, 0 0 E- 0 2 8, 0 0 E- 0 2 1, 0 0 E- 0 1 1, 2 0 E- 0 1
时间 ( s)
信
号
幅
度
（m
V
)
图 8.3.11 信道下路时对系统
其他信道产生的影响
为使每个信道在放大器中的输出功率保持不受其他信道上 /下路的影响,放
大器的增益必须受到控制。通常,EDFA在 WDM系统中工作时的模式有三
种, 自动增益控制模式，自动功率控制模式及自动电流控制模式。 当工作
在自动增益控制模式时,其增益是恒定的，若输入光功率的大小改变,则
控制电路可根据要求的增益,调整泵浦电流使 EDFA仍然工作在指定的增益
点上。
(3) ASE 噪声
EDFA级联应用时，上一级的 ASE噪声作为信号与真正的信号一起输入下
一级 EDFA而被放大，这样,ASE噪声就累积起来，引起系统信噪比的恶
化。因此,在 WDM系统中应用时,EDFA的噪声指数必须尽可能地小。
8.3.4 WDM系统中的波分复用器 /解复用器
1．波分复用器 /解复用器的特性及其描述
在第五章中我们接触了耦合器和分束器，这些器件只在一个波长上
实现光路的合成与分离。若器件能够在不同的波长上实现上述功能，
就叫做波分复用器和解复用器。其中能将不同波长的各个光束进行合
成的器件叫做复用器。能把多个波长组成的一束光分解出各个波长的
器件叫做解复用器。英文也常写作 WDM MUX和 WDM DEMUX。如
图 8.3.12所示为波分复用器和解复用器的示意图，可以看出这两个器
件都是一端为一个端口，另一端为多个端口的器件。
λ 1
λ 2
λ 3
λ n
…
λ 1 λ 2,.,λ n
波
分
复
用
器
λ 1 λ 2,.,λ n
λ 1
λ 2
λ 3
λ n
…
解
复
用
器
图 8.3.12 WDM MUXs 和 WDM DMUXs 结构示意图
在 WDM系统中,波分复用器和解复用器是非常重要的必不可少的器件之一。
它们性能的好坏直接影响到系统的性能。波分复用器 /解复用器依据波长
的间隔可以分为三种, 宽带波分复用器 /解复用器、窄带波分复用器 /解复用
器和密集波分复用器 /解复用器。宽带波分复用 /解复用器可以将诸如
1310nm 与 1550nm或 850nm与 1310nm或 980nm与 1550nm等间隔很大
的几个波长进行合波或分波；窄带一般指 1550nm附近中心频率间隔大于
200GHz(1.6nm)的复用 /解复用器件。而密集复用器 /解复用器当然是指通
道频率间隔等于或小于 200GHz的器件。 有些公司的产品可以做到频率间
隔为 100GHz(0.8nm),50GHz(0.4nm)甚至 25GHz(0.2nm)。
波分复用器 /解复用器的主要光学性能参数如下,
(1)工作波段
指波分复用器 /解复用器工作在什么波段，如 C波段或 L波段等。
(2)信道数
指波分复用器 /解复用器可以合成或分离的信道的数量。常见的信道数有 4,8、
16,32,40和 48等。
（ 3）各信道的中心波长或频率
对于密集波分复用器 /解复用器，中心频率按 ITU-T G,692的建议。最大中心
频率偏移不应超过信道间隔的 20%。
（ 4）信道间隔
按 ITU-T G,692的建议。间隔小于 200GHz(1.6nm)的有 100GHz(0.8nm),
50GHz(0.4nm)和 25GHz等。
（ 5）带宽
带宽也叫通带宽度。生产厂商常给出通道传输最大值下降 1dB,3dB和 20dB
（有时还有 30dB）处的通带宽度。带宽值不仅取决于信道的间隔，还取
决于通带本身的线型。
ITU-T规定对于 DWDM用的复用器 /解复用器，在下降 1dB处的通带宽度不
应小于信道间隔的 0.35倍，在下降 3dB处宽度不应小于信道间隔的 0.5倍，
下降 20dB处通带宽度不应大于通道间隔的 1.5倍，下降 30dB处的宽度不应
大于信道间隔的 2.2倍。
（ 6）插入损耗
插入损耗的定义与前面滤波器及耦合器的插入损耗基本相同。由于波分复
用器 /解复用器是对不同波长的信号进行合波与分波，每一个通道端口都
必须指定其工作波长，如端口 i的工作波长为 λi。因此，波分复用器 /解复
用器的插入损耗应与波长相联系。这是与第五章所讲的耦合器的插入损耗
不同的地方。对于复用器而言，以 dB表示的第 i个端口的插入损耗定义为
波长为 λi的信号耦合进输入端口 i的功率与该信号在输出端口的功率之比取
对数，即：
)(
)(log10,
io u t
iini
i P
PL
?
??
同理，对于解复用器输出端的第 i个输出端口，有
)(
)(
lo g10
,io u ti
iin
i P
P
L
?
?
?
由于各通道的插入损耗不相同，所以取各通道插入损耗的最大值来表征。
对于有 N个输入 /输出端口的复用器 /解复用器而言，规定每个通道的插
入损耗必须小于 1.5log2N。理想情况下,Li越小越好。
（ 7）波长隔离度
波长隔离度又叫远端串扰。对于复用器，某一端口 i对于波长为 λj的信号的隔
离度定义为从该端口输入波长为 λj的信号功率与该信号在输出端口的功率
之比。若以 dB表示，则有：
)(
)(lo g10,
jout
jini
c P
PL
?
??
该式说明,对于输入端口 i，任何其他波长的光 ?j（ j≠i）想从输入端口 i
传至输出端时，会被堵塞，无法传出，所经历的损耗为 Lc。理想情况下，
Lc越大越好。
对于解复用器，输出端口 i的波长隔离度有相似的定义：
)(
)(lo g10
,jo u ti
jin
c P
PL
?
??
上式说明，任何波长的光 ?j（ j≠i）想从输入端口传至输出端口 i
时，会被堵塞，无法传出，所经历的损耗为波长隔离度 Lc。理想
情况下,Lc越大越好。
对于解复用器,其隔离度通常大于 30dB，而复用器其隔离度约
为 18dB。
（ 8）各通道插入损耗的均匀性或一致性
指各通道插入损耗的最大值与最小值之差。该值应小于 1.5dB。
（ 9）偏振相关损耗 (PDL)
与前面第五章的定义相同。
（ 10）方向性
方向性定义为信号在某输入通道 /输出通道 i中的功率与从该通道中泄露到另一
个输入通道 /输出通道 j的功率之比，以 dB表示，有：
)(
)(
lo g10
,
,
iinj
iini
ij P
P
D
?
?
?
)(
)(
lo g10
,
,
ioutj
iouti
ij P
P
D
?
?
?
上两式分别对应于波分复用器和解复用器。方向性通常也称为近端损耗。
Dij通常应大于 50dB。
(11) 反射
反射指的是输入某一个端口 i的功率与反射回该端口的功率之比。以 dB表
示时，有
)(
)(log10
,iri
ii
i P
PR
?
???
其中,Pi,r(λi)为反射回端口 i的光功率。通常应用情况，要求器件的反射小
于 -40dB。
2,几种波分复用器 /解复用器
制作光波分复用器的技术很多，较为实用的方法有介质薄膜滤波法、光栅法
和熔融拉锥法等。这些方法各有特点，下面就前两种方法制作的波分复用
器件进行介绍。熔融拉锥法在第五章中已有介绍，这里不再赘述。
（ 1）介质薄膜滤波器型波分复用器
我们已经学习了介质薄膜滤波器的工作原理。滤波器由折射率高低不同的多
层介质膜交叠而成。适当设计每层膜的光学厚度以及介质膜的折射率，可
以做成只透射某个所希望的波长而反射其他波长的透射型滤波器。设计多
个滤波器，使它们的透射中心波长为 ITU-T规定的值，把这些滤波器以一
定的方式连接起来，就构成了多通道波分复用器 /解复用器。如图 8.3.14所
示为 4通道的波分复用器和解复用器的工作原理图。图 8.3.15则示出了一
个 8通道解复用器的结构简图。
λ
1
λ
2
λ
3
λ
4
λ
4
λ
1
,λ
2
,λ
3,
λ
4
λ
3,
λ
4
λ
1
λ
2
λ
3
λ
4
λ
4
λ
3,,
λ
4
λ
1
,λ
2
,λ
3,
λ
4
(a) WDM MUXs (b)WDM DEMUXs
图 8.3.14 4通道介质薄膜滤波器型 WDM MUXs DEMUXs原理图
λ
1
λ
2
..,λ
8
λ
8
λ
3
λ
5
λ
7
λ
1
λ
6
λ
4
λ
2
λ 2
...
λ
8
λ 4
...
λ
8
λ 6
.,λ 8
λ 8
透镜
透镜
图 8.3.15 介质膜滤波器构成的 8通道解复用器结构
这种类型的波分复用器 /解复用器的优点是器件的设计与光纤的参数几乎无
关；信道数灵活，且波长的间隔可以不规则；插入损耗低，极化相关损耗低；
温度特性好等。这种技术的缺点是实现频率间隔在 100GHz以下时比较困难，
因而信道数受到限制；器件装配所需的时间较长，整个器件的损耗和成本与
信道数成正比。
（ 2）马赫 -曾特干涉仪（ MZI）型复用器 /解复用器
实际上我们在第五章中已经接触过马赫 -曾特干涉仪（ MZI）型复用器 /解复
用器，在那里，我们是作为滤波器进行学习的。利用它的滤波特性，按照一
定的结构可以构成一个马赫 -曾特干涉仪（ MZI）型复用器 /解复用器。图
8.3.16是一个由三部分组成的 2× 2的复用器的原理图。复用器的输入和输出
端分别为两个 3dB耦合器，耦合区的长度为 d； 复用器的中心部分是一个长度
相差为 ΔL的两根波导，称为相移部分。
图 8.3.16 2× 2 MZI型波分复用器原理
光从输入端到输出端口的传播可以用矩阵光学的方法描述, 即
其中,M是复用器的传输矩阵，它是两个耦合器与中间波导的传输矩阵的乘积
?
?
?
?
?
?
??
?
?
?
?
?
2,
1,
2,
1,
in
in
out
out
E
E
M
E
E
12 c o u p le rc o u p le r MMMM ???
3dB耦合器的传输矩阵为
]11[21 j jM c o u p le r ?
中间波导对于某一波长 λi的光引入的 Δφi的相位差是靠波导的长度差引入的，
传输矩阵为
????????
??
? )2/e x p (
0
0
)2/e x p (
Ljk
LjkM
i
i
i?
对于复用器而言，需要不同的波长从输入端的不同通道输入。现假设波长
为 λ1和 λ2的光波分别从输入端的两个输入端口 1和 2输入，根据（ 8.3.9）式
和（ 8.3.10）式可以得到在输出端的两个端口的光场为：
)]2/s i n ()()2/c o s ()[
)]2/c o s ()()2/s i n ()([
222,11(1,2,
222,111,1,
LkELkEjE
LkELkEjE
inino u t
inino u t
????
????
??
??
从这两端口输出的光功率为：
2,2
2
1,1
2*
2,2,2,
2,2
2
1,1
2*
1,1,1,
)2/(s i n)2/(c o s
)2/(c o s)2/(s i n
ininoutoutout
ininoutoutout
PLkPLkEEP
PLkPLkEEP
?????
?????
我们希望两个光波只从输出端口中的一个输出, 比如从端口 2输出, 则需
满足条件 ??? 2/
1 Lk 2/2/2 ??? Lk,此条件可变换为下列形式：
1
21
)11(2
?
??
?
??
? ???
??e ffnL
或用信道间的频率间隔 Δν表示：
???? effn
cL
2
上式说明，当波导间的长度差满足上述关系时，光波 λ1和光
波 λ2将都从出射端口的 2出射，因此完成了光波的合路。同
理，当光波逆向传播，即波长为 λ1和 λ2的光波从输出端口 2
入射，在满足关系式 (8.3.14)时，两个光波将分别从输入端口
1和 2 出射，这个器件就成为了一个解复用器。
多个这样的器件可以组成一个 N× N(N=2n)波分复用器 /解复用器。如图
8.3.17所示是一个由三个 2× 2 MZI组成的 4× 4的波分复用器的结构图。
图 8.3.17 4× 4 MZI复用器结构示意图
（ 3）光栅型波分复用器 /解复用器
光栅是个色散元件，对波长具有选择作用，这是我们早已熟知的知识。当多
波长入射光照射到一个体光栅上时，光栅将不同波长的光以不同的角度反射
或透射，经透镜汇聚到不同的光纤上输出，就实现了分离波长的功能，成为
一个解复用器。相反的过程是，当不同波长的光分别以精心设计的不同的角
度入射到光栅上时，光栅将它们汇聚到某个方向上并耦合进光纤，实现波长
复用的功能。这是体光栅做成波分复用器 /解复用器的原理。
随着光纤光栅技术的成熟，光栅型波分复用器 /解复用器中的体光栅常用光
纤光栅来代替。光纤光栅利用光纤的折射率对紫外光敏感这一特性，在光纤
的侧面用紫外光写入技术，沿着光纤长度方向上形成折射率周期变化的布拉
格光栅,因此，光纤光栅叫做 Fiber Bragg Grating,简称 FBG。参见本书第二
章图 2.3.5。
光纤光栅做成的波分复用器有很多优点：
1）通过精心设计光栅结构，可精密控制中心反射波场。
2）反射带宽可做得很小，因而特别适于 DWDM系统。
3）反射率很高，可达到接近 100%。
4）与普通的传输光纤连接十分方便。
5）对偏振不敏感。
这类波分复用器也存在不足，即有高的回波反射，因此，应用时必须使
用光隔离器。
（ 4）阵列波导光栅 AWG型波分复用器
AWG的概念是由荷兰的研究者 Smith M.K 于 1988年首次提出，在一块半
导体材料衬底上,按照一定的规则制作出多个波导以组成波导阵列。 如图
8.3.19所示,为一个 N?N AWG 结构示意图。
j
o
- j
o- j
o
j
o
图 8.3.19 N?N AWG结构示意图 图 8.3.20 AWG解复用器的原理
它由输入、输出波导、光栅阵列波导以及端面均为凹聚焦面的两个平板
波导组成。 输入 /输出波导与平板波导相接的各个端口等间距地 (间距为 ?x)
沿着直径为 R的罗兰圆周排列，且对称地分布在凹聚焦平板波导的入口处；
弯曲的阵列波导的端口则以等间距 d分布在直径为 2R的光栅圆周上，且光栅
阵列波导的中心位于光栅圆与罗兰圆的切点上，相邻的波导的长度差为 ?L，
参见图 8.3.20。
下面我们来看一下 AWG解复用器的工作原理。含有多个波长的入射光进
入 AWG的输入波导的平板波导,由于输入波导的输出端口处在平板波导的凹
聚焦端面上,光从此端口出射时将发生衍射,此衍射光束将投射到光栅阵列波
导的输入端口而进入光栅阵列波导。由于光栅阵列波导的任意两个相邻的
波导的长度相差 ?L,设光栅阵列波导的折射率为 nC，因此,在相邻的两个波
导中传播的波长为 ?i的两束光波的光程差为 nc?L,相应的相位差为 nc?L/?i。
由于此相位差的存在，由光栅阵列波导的所有出射端口射出的波长为 ?i的光
波，在出射平板波导中传播时等相位面将发生弯曲,使光线聚焦在输出平板
波导焦线的某一点上，即直径为 R的罗兰圆上。通过合理设计输出波导接收
信道端口的位置，可使该波长的光波耦合进一个波导信道中。光栅阵列波
导对不同波长的光波引入的位相差不同，故不同波长的光波聚焦在平板波
导焦线的不同点上，进入输出波导的不同通道，实现了解复用。
根据光路的可逆性，将 AWG反向使用，则成为波分复用器。阵列波导引
入相位差，其作用如同光栅一样，故将这种器件称为阵列波导光栅。
现在我们来具体看一下 AWG中光线满足的方程。从输入波导相连处的平
板波导出射的光束为高斯光束,该光束传播到光栅阵列波导处的等相位面是
以该中心波导出射端为圆心，以 R为半径的球面 (也就是直径为 2R的光栅圆 )。
换一句话说就是,光栅阵列波导的各个入射端口分布在该高斯光束的等相位
面上。因此，从光栅阵列波导传出的光到达输出波导的接收端口时，相邻
波导中传输的光的光程差为 nsdsinθ+ncΔL,nS为平板波导的折射率。若此
光程差满足某一波长的整数倍，则在接受端口能够相干加强：
?? mLndn cs ???s in
整数 m是光栅的衍射阶数。 θ是光束的衍射角，当 θ=0时，有
cn
mL ???
当光波频率不同时，聚焦点会沿着直径为 2R的光栅圆移动，即衍射角 θ会发
生变化，在 的近似条件下,θ随频率的变化量定义为角色散，
0??
dcnn
nm
d
d
cs
g
2?
?
? ??
图 8.3.21是 JDS Uinphase公司 AWG 波分复用器的图片 。 表 8.5是 16通道
和 40通道的 WDM MUX的技术参数 。 通带的线型为高斯型 。 图 8.3.22为 40
个通道复用器的传输谱 。
AWG 具有很多优点，如低损耗，低串扰，高重复性，高可靠性，尺寸小。
一个 N?N AWG可作为波分复用器 /解复用器,光插 /分复用器，光路由器，
光滤波器，色散补偿器，等等。对于 AWG的研究，已从 SiO2基扩展到 InP
基的器件上来，可以与半导体激光器，调制器，接收器阵列等半导体器件
集成，将在光通信领域有着更广阔的应用前景。
3、波长交错复用技术
我们知道，波分复用器 /解复用器是实现波分复用的一个关键器件，它的
性能的好坏影响着系统的性能。因此，波分复用器 /解复用器的设计是一个
重要环节。随着传输信道数目的增加及信道间隔的减小，波分复用器 /解复
用器的结构变得越来越复杂，使得设计工作也变得越来越复杂，加工成本
越来越高。为使器件的制作简单化，降低成本，一些公司提出了波长交错
复用器的概念。例如,有两个频道间隔均为 200GHz的波分复用器 /解复用
器，它们各个传输信道的中心频率分别为 ITU-T G.692中规定的 DWDM的奇
数信道（如 ch21,ch23… ）和偶数信道 (ch22,ch24…),通过一个叫做
Interleaver的器件，将这两个波分复用器 /解复用器组合起来使用,就可以
组成一个频率间隔为 100GHz的波分复用器 /解复用器，而传输的信道数也
就增加了一倍。图 8.3.23所示为波分复用器与一个 Interleaver 相互间关系的
框图。由于所使用的两个波分复用器 /解复用器都是信道间隔较宽的普通复
用器，所以大大减低了器件设计的压力，也降低了系统的成本。
波
分
复
用
器
λ
1
λ
3
λ
5
λ 7
λ
1
λ
3
..,λ
7
波
分
复
用
器
λ
2
λ
4
λ
6
λ 8
λ
2
λ
4
..,λ
8
群
组
滤
波
器
λ
1
λ
2
..,λ
8
图 8.3.23 波分复用器与 Interleaver
很多具有滤波功能的器件可以做成 Interleaver。 如在前面讲到的图
8.3.17,其中的 MZI3就是一个具有将奇信道与偶信道复合的功能器件 。 另
外, 利用偏振光干涉, 迈克尔逊 G-T干涉, 光纤光栅和阵列波导光栅都能
实现奇, 偶信道的复用 。
8.3.5 WDM系统中的光纤
光纤的损耗和色散是在设计光纤通信系统中必需考虑的两个大问题。对于
单波长传输系统，可根据系统的容量，传输距离的远近以及系统的造价等问
题来确定工作的波长窗口，选择合适的光纤。对于高速传输系统,为减小信号
之间的串扰，可采用在工作波长上损耗小，色散低的光纤或选用有较大色散
系数的光纤，在最后采取色散补偿技术来消除色散的作用。 但是，对于
WDM系统，光纤的选择必须十分小心。 由于光纤中传输着多个波长光信号,
光纤在 1550nm附近的色散斜率变得非常重要。否则,不同波长的光信号将经
历有较大差异的色散，最终导致某些信道经历较大色散，影响信噪比。
另一个在设计 WDM系统时需要特别注意的问题是光纤中的非线性效应。由
于 WDM系统用 EDFA对多个光信号进行放大，可使光纤中的光功率达到很高
的数值，从而引起光纤的非线性效应。这些非线性效应主要包括受激散射
（受激布里渊散射 SBR，受激拉曼散射 SRS）及非线性折射率调制（包括自
相位调制 SPM，交叉相位调制 XPM，四波混频 FWM和非线性极化模色散
等）。 DWDM系统光源的高度相干性，较窄的通道间隔等又加强了这些效应。
这些效应的存在，导致信道间产生串扰。
1,WDM系统中的色散补偿
对于 WDM系统，可采用色散平坦型大有效面积的 G.655光纤作为传输光
纤，以克服“不同波长的光信号将经历有较大差异的色散”这个缺点。另一
方面，仍然可以采取前面第二章所讲的色散补偿方案来补偿色散对系统的影
响。然而，不是所有的信道的色散都能够被完全补偿的，因为色散系数 D是
与光波长有关的。如图 8.3.24所示是一个 WDM系统采取色散补偿措施后不同
光信道沿着传输距离的色散图。从图可以看出，中心信道的平均群速色散可
以降为零，而其他信道的色散则没有被完全补偿。
2．非线性效应对 WDM的影响
（ 1） SRS的影响
通过第二章的学习我们知道,SRS效应将把光波能量从短波长的信道转移
至长波长的信道, 对于 WDM系统，只要信道间的间隔在拉曼增益谱所覆盖的
范围内，这些信道间就会因为 SRS效应而发生能量的转移。光纤中传输的信
道越多，从短波长信道耦合至其他长波长信道的能量就越多，这个信道损失
的能量就越大。因此,波长最短的信道成为受 SRS效应影响最大的信道,最终
导致该信道的误码率增加,整个系统的性能恶化。我们具体来看一下 SRS的
影响, 一个有 N个信道的 WDM系统,信道间隔为 Δνs,对应的信道波长间隔为
Δλs。因此，整个系统带宽为 (N-1) Δνs。我们把波长最短的信道记作 0信道,
该信道转移到第 j信道的功率与 0信道的功率之比记作 Pout(j)。假设系统带宽
小于拉曼增益带宽，除了从 0信道向其他信道耦合功率外，其他各信道间没有
功率耦合。
要减小 SRS的影响,一方面可以通过尽可能地减小信道间隔来实现,另一方
面就是将每个信道的功率限制在阈值以下。 对于有放大器的系统,光纤的非
线性有效长度与放大器间距成反比。缩短放大器的间隔，可以增加有效长度,
从而使各个信道的功率降低。
（ 2） SBS的影响
SBS的增益谱很窄，在 1550nm附近约为 20MHz,这说明 SBS效应使得功
率的转换发生在频率非常靠近的两个信号之间。 在 WDM系统中,信道间隔
通常在几百或几十 GHz,所以 SBS效应被约束在同一个波长信道内,每个信
道内的 SRS效应独立累加，与单信道传输系统的情况一样。 当 SBS波的功率
与信号功率可以比拟时，就会产生系统损伤。
要减小 SBS效应,必须使每个信道的功率远低于 SBS阈值；或者通过增加
信号带宽的办法，提高 SBS的阈值。
（ 3） SPM 和 XPM的影响
SPM 和 XPM产生于光纤的折射率对光强的依赖关系。 SPM 导致光波相位
发生变化,产生频率啁啾。 在没有色散时,该频率啁啾引起脉冲频谱的展宽。
当有色散存在时,SPM 与 GVD相互作用,可以使光脉冲展宽或压缩。 具体原
理将在第十章中讲述。 当不同波长的光脉冲在光纤内传输时,它们的相位不
仅受 SPM的影响,还要受 XPM的影响。
（ 4） FWM的影响
由第二章知,当光纤中传播有三个波长 ωi,ωj,ωk时,FWM效应就会在
光纤中产生新的频率分量 ωn= ωi+ωj-ωk或 ωn’+ωn”=2ωi，将能量转移到这些
新的频率分量中去，降低了信道功率。 对于一个信道数为 N的 WDM系统，产
生的新的频率分量数与信道数的立方成正比。因此，在光纤内将产生大量的
新频率信号。当系统的信道间隔为等间隔时，这些新的频率分量与已有的信
道频率相同，并与该信道内的信号产生相干，致使到达接收机上的信号产生
大的起伏。当系统的信道间隔为非等间隔时，这些新的频率分量落在信道之
间，成为系统噪声，影响系统性能。实验已经证明，可以通过设计非等信道
间隔的系统来降低 FWM的影响。 此时,FWM造成的信道功率代价可以通过
改变输入功率和光纤色散来控制。另一种方案是采用色散管理技术，将正常
和反常 GVD光纤组合起来使用，使整个光纤上的 FWM效率降低。
8.4 波分复用系统规范
虽然前面我们已经接触到 ITU-T的 G.692建议，但是对于波分复用系
统参数，目前 ITU-T还没有完整 ﹑ 统一的规范。鉴于全球已有许多
WDM点到点系统，我国也建设了一些 WDM传输系统，除了 ITU-T
G.692建议，国内一些专家还提出一些自己的建议，以使我国自行研发
的产品具有统一性。
8.4.1 光波长的分配1,系统工作波长区
ITU-T G.692 建议,WDM系统的工作波长目前是在 C波段，即从
1528.77nm到 1560.61nm,对应的频率为 198.1~192.1THz（参见表
8.1）。
2,绝对频率参考
绝对频率参考是指 WDM系统标称中心频率的绝对参考点。 G.692建议，
WDM系统的绝对参考频率为 193.1THz，与之相对应的波长为
1552.52nm。
3、通道间隔
G.692 建议，通道间隔是 100GHz的整数倍，如 200GHz,100GHz,400GHz
等。为了能够传输更多的信道，很多厂商还开发了通路间隔为 50GHz,
25GHz的产品。
4、标称中心频率
每个通路对应的中心频率称为标称中心频率, IUT-T G.692建议,通路的频率
应基于绝对参考频率,最小通路间隔为 100GHz的频率系列 (参见表 8-1).
5,中心频率偏移
指实际系统中工作频率与标称中心频率的差值, 规定 8通路 WDM系统,采用
200GHz的通路间隔,其最大中心频率偏移为 ± 20GHz; 16通路,采用
100GHz的系统,最大频率 偏移为 ± 20GHz。
8.4.2 光接口规范
1,光接口分类
我国专家对于我国的加有光放大器的长途 WDM系统规定了 3种
光接口,8 × 22dB,5× 30dB,3 × 33dB。其中前面的 8,5,3
分别代表传输的区段数目,22,33dB代表每个区段允许的损耗。
一个 8 × 22dB系统，在发射端使用一个功率放大器，中间加入多
个在线放大器，接收机前加前置放大器，每一区段的距离约为
80km，因此,总的传输距离为 640km（ 8× 80km）； 一个 3
× 33dB系统可以传输 360km(3× 120km)；一个 5× 30dB系统则可
以传输 500km(5× 100km)。
光接口参数
ITU-T 对光接口的参数还没有形成规定。为增加系统的可操作性，
我国研究人员对于上述三种光接口的参数中的一个参数即 WDM系
统接收端光信噪比 (OSNR)制定了一个规范。 光信噪比 OSNR定义
为在接收端平均接收光功率与光带宽内接收的光噪声功率之比。对
于 8 × 22dB系统,OSNR 为 22dB； 对于 5× 30dB系统,OSNR
为 21dB； 对于 3 × 33dB系统,OSNR 为 20dB。
3,光监控信道 OSC (Optical Supervisory Channel)
对于使用线路放大器的 WDM系统，需要一个额外的通道对 EDFA进
行监视和管理，此通道叫做光监控信道。这个通道的波长依据应用情况
可以在放大器的带宽之内或之外，但必须能在每个线路放大器处进行上、
下路。 一般建议波长选择在放大器的带宽之外。选择在带外的建议波
长为 1510nm。另外,1310nm和 1480nm 也可以作为一个选择。另一
个可能的选择是 1625nm，现正在研究之中。 OSC光接口的其他建议
参数：监控速率 2Mbit/s；信号码型 CMI；信号发送功率 0~7dBm； 最
小接收灵敏度 -48dBm。
安全要求
有光放大器的系统，通常情况下，光放大器都工作在大功率下，其
入纤功率有的已接近光纤安全功率极限，因此,ITU-T规定，系统中单
路或多路入纤功率最大不能超过 17dBm。
本章小节
WDM技术是当今光纤通信领域的一个非常重要的技术,得到了广泛的应
用。 本章从 WDM系统的基本组成出发，讲解了系统对所涉及的器件的要
求,给出了设计系统的基本原则和系统规范，力求做到既有基本理论又结
合工程应用。
?WDM工作原理
?WDM系统的基本组成
?WDM系统中的关键器件
?波分复用系统规范
8.1.1 WDM工作原理
WDM技术，就是以光波作为载波，在同一根光纤内同时
传输多个不同波长的光载波信号的技术。每个波长的光波
都可以单独携带语音、数据和图像信号，因此,WDM技
术可以让单根光纤的传输容量获得倍增。图 8.1.1所示为点
到点 WDM传输系统工作原理框图。在发送端,n个光发射
机分别工作在 n个不同波长上，这 n个波长间有适当的间隔
分隔,分别记为 λ1,λ2,...,λn。这 n个光波作为载波分别被
信号调制而携带信息。一个波分复用器（也称合波器
Multiplexer）将这些不同波长的光载波信号进行合并，耦
合入单模光纤。在接收部分由一个解复用器 (也称为分波
器 De-multiplexer) 将不同波长的光载波信号分开，送入各
自的接收机进行检测。
8.1 WDM工作原理
图 8.1.1
WDM工
作原理
框图
波
分
复
用
器
解
复
用
器
光纤
λ 1
λ 2
λ 3
λ n
λ 1
λ 2
λ 3
λ n
… …
λ 1 λ 2,.,λ n
为帮助了解 WDM的潜在通信容量，我们回忆一下普通单模石英光纤中光传输
损耗与波长的关系（见图 1.1.3）。根据此图我们知道，在长波长波段，光纤有
两个低损耗传输窗口即 1310nm和 1550nm窗口。这两个窗口的波长范围分别从
1270nm 到 1350nm和 1480nm到 1600nm，分别对应着 80nm和 120nm的谱宽范
围。而目前光纤通信系统中所使用的高质量的 1550nm的光源，其调制后的输
出谱线宽度最大不超过 0.2nm，考虑到老化及温度引起的波长漂移，给出约
0.4nm~1.6nm的谱宽富余量，应是合乎情理的。即使这样，单个系统的谱宽也
只占用了光纤传输带宽的几十分之一到几百分之一。为充分利用单模光纤的低
损耗区的巨大带宽资源，在光纤低损耗窗口采用多个相互间有一定的波长间隔
的激光器作为光源，经各光源调制的信号同时在光纤中传播，这就是 WDM技
术。可以说,WDM技术使得光纤具有巨大带宽这一优点得以充分体现。以一
种工作在 1550nm的窄线宽 DFB激光器为例，它可在 0.8nm的谱带内发射信号，
因此在 1525nm~1565nm共 40nm的范围内,WDM系统可传送 50个信道。若每
个信道的传输速率为 10Gbit/s，则系统总的传输速率即为 50× 10Gbit/s，比单
信道传输的容量增加了 50倍。
1,WDM与 DWDM
早期的 WDM系统在 1310nm和 1550nm两个窗口上实现复用，波长间隔为
240nm。目前，由于还没有在 1310nm窗口的实用化的光放大器，而商
用化的掺铒光纤放大器（ EDFA）的增益窗口在 1550nm附近，所以现在
的 WDM技术一般是指在 1550nm窗口附近波长的复用。在普通的 WDM技
术中，所采用的波长间隔 (指相邻的两个通道的工作波长之差 )一般约为
4~10nm。随着 WDM技术的发展，一个新的名词 —— DWDM常常出现。
DWDM意思为密集波分复用 (Dense Wavelength Division Multiplexing)。
它与 WDM技术的主要区别在于 DWDM中使用的波长间隔很小，常常小
于 1.6nm，如 0.8nm。有些公司的产品达到 0.4nm甚至于 0.2nm。，
DWDM也主要指在 1550nm窗口附近的复用技术。
由于光波的波长因传输介质不同而发生改变，而光波的频率却是固定不
变的，所以，国际电信联盟 (ITU)在制定有关 WDM标准和建议时,采用频
率间隔而不采用波长间隔。波长间隔与频率间隔之间的关系可以由
(1.5.1) 式近似得到。根据此关系式，在 1550nm附近的频率间隔分别为
200GHz,100GHz,50GHz和 25GHz的系统，对应的波长间隔分别约为
1.6nm,0.8nm,0.4nm和 0.2nm。
关于 DWDM技术在 1550窗口附近各信道的光波频率、波长及频率间隔（波
长间隔）等,ITU提出了相关的建议和标准，即 ITU-T G.692，见表 8.1。
8.1.2 WDM﹑ DWDM与 CWDM
DWDM技术中各波长间的间隔很小，在光纤的低损耗窗口
可以传输的信道数就更多，所以系统的传输容量就更高。但正是
因为复用的波长间隔减小,DWDM系统要求光源有精确的波长及
很好的波长稳定性，这样，系统一方面需采用价格昂贵的激光器，
另一方面需采用复杂的控制技术对其进行控制；同时系统对波分
复用器和解复用器的性能也提出了更高的要求，如带宽更窄、稳
定性更高等。因此，系统的造价就大大提高。由于高性能和高价
格,DWDM比较适用于长途干线传输系统。
2,CWDM
近年来，宽带城域网正成为电信和网络建设的热点。由于城域
网传输距离短，业务接口复杂多样化，如果照搬应用于长途传输
的 DWDM技术，会带来成本上的大幅度提高。粗波分复用或称稀
疏波分复用 CWDM技术在系统成本、性能及可维护性等方面具有
优势,正逐渐成为今后日益增长的城域网市场的主流技术。
CWDM的信道波长间隔约 20nm。由于信道间隔较宽，由激光器的
波长漂移而带来的信道串扰对系统的影响较小，所以,CWDM可采用
不带冷却器的半导体激光器。这种半导体激光器一般是由激光器芯片
和密封在带有玻璃窗口的金属容器中的监控光电二极管构成的，因而
也无须采用比较复杂的控制技术。这两方面的原因使发射机体积只有
DWDM发射机的五分之一。 CWDM对复用器的选择也很宽松，只需
用粗波分复用器和解复用器。由于器件成本和系统要求的降低，使得
实现起来也更加容易。
ITU针对 CWDM的工作波长（频率）通过了 G.694.2建议，如表 8.2
所示。从表中可见，激光器的工作波长从 1270nm开始到 1610nm结束，
共有十八个通道，覆盖了 O,E,S,C,L共五个波段。
8,2 WDM系统的基本组成
从上一节 WDM的工作原理我们了解到, WDM系统必须有工作在不同波长
上的激光器, 有能够将不同波长的光信号进行合并 ﹑ 选择和分路的波分复用
器和解复用器, 还有有光接收机将解复用后的光信号进行光电检测, 原出原
始信号 。 若要传输更长的距离, 则还需要能够将各路光信号同时进行放大的
放大器等 。 图 8.2.1示出了一个包含有功率光放大器, 在线光放大器和前置光
放大器的单向传输 WDM系统 。 其中, Tx表示发射机 （ Transmitter）,Rx表示
接收机 （ Receiver） 。 OC-192表示光层的传输速率, 参见第 9章表 9.5所示 。
除了上述的几个部分以外,WDM系统还应有光监控部分和网络管理部分。
WDM系统可以有双纤单向传输和单纤双向传输。双纤单向传输指的是一根光
纤完成一个方向的传输，而另一根光纤则完成反方向的传输。由于两个方向
的传输分别由两根光纤完成，因此，同一个波长可以在两个方向上同时被利
用。单纤双向传输则是由同一根光纤完成两个方向上的信号传输，两个方向
的信号必须分配不同的波长。同一波长不能被两个方向的信号同时利用。一
般来说，目前采用的大多数为双纤单向传输。单纤双向传输在纤芯数量较少
的情况下采用，并且在系统设计时要考虑光反射 ﹑ 多次通过干扰 ﹑ 串扰及两
个方向传输的功率电平值等问题。
8,3 WDM系统中的关键器件
1,WDM系统对光源的要求
目前的光纤通信系统所采用的光源一般有半导体发光二极管 (LED)和
半导体激光器 (LD)。通过学习第一章和第三章的内容我们已经知道，
LED与 LD的特性有很大的不同。 LED所产生的光不是单波长的光，谱
线很宽，约为 50~100nm； LED的输出功率比激光器低很多； LED的最
高调制速率约为几百 Mbit/s。因此,LED不适合作为 WDM系统的光源。
LD输出虽然不是理想的单波长的光，但其谱线宽度却可以达到很窄。
虽然普通的 F-P腔 LD的谱宽约为 8nm，但具有布拉格光栅的高质量的
DFB或 DBR LD的谱宽可达 10-3nm，即使考虑因调制而产生的啁啾所导
致的谱线展宽，其调制后的输出谱线宽度最大也不超过 0.2nm。所以，
只有 LD才能满足 WDM系统对于光源波长的要求。另一方面,LD的调制
频率可达数 Gbit/s，特别适合于高速传输系统。与此同时,LD输出的光
功率要比 LED高很多，而且由于输出的光为相干光，大部分光能量很容
易被耦合进光纤中，因而信号可以传输更远的距离。
8.3.1 WDM系统中的光源
具体说来,WDM系统对激光器的要求除了象在普通的光纤通信系统中的一般
要求外，还有其特殊的要求，即：
（ 1）具有波长调谐特性和尽可能窄的线宽。如表 8.1所示的那样,WDM系统
中各发射机工作的频率及相互间的频率间隔（或波长间隔）有严格的规定，
激光器的工作波长必须按照 ITU-T的相关规定，而线宽必须小于所规定的频率
间隔。
（ 2）尽可能高的边模抑制比。一般要求至少大于 35dB或 40dB。
（ 3）激光器必须单纵模工作。
（ 4）激光器的频率啁啾必须尽可能小。我们知道，半导体激光器的直接调制
会引起频率啁啾，即发射波长随调制电流的变化而变化。在 WDM系统中，该
啁啾会引起串扰，必须被消除。由于啁啾，直接调制不适合于传输速率大于
10Gbit/s的 WDM系统。可通过采用外调制器的办法来避免啁啾的影响。
（ 5）激光器的波长和输出功率必须稳定。但是,DFB LD的激射波长对温度
和反射光很敏感。温度的变化和反射光会引起 LD中心波长的漂移，对相邻通
道的信号造成串扰。因此，波分复用系统特别是密集波分复用系统对光源波
长的稳定性提出了很高的要求。通常，在封装好的 LD中有温度传感和制冷装
置，与外加控制电路相接可使 LD工作在恒定温度上以实现对波长的控制。而
反射光的控制可以通过在 LD的前面放置隔离器及在尾纤输出端采用带有角度
的连接器 APC（ Angle Polishing Connector）来实现。
（ 6）尽可能的小的相对强度噪声 RIN。
（ 7）尽可能低的功耗。
目前在大多数 WDM系统中使用的光源为 DFB LD。
2,可作为 WDM系统光源的激光器件
WDM系统对激光器有如此严格的要求，那么，如何使 LD发射的波长恰好满足
ITU-T的规定呢？我们从半导体激光器的工作原理知道,LD发射的光波波长范
围取决于半导体材料的带隙，而精确的波长则由 LD的谐振腔决定。在设计制
作器件时，通过调节 DFB LD中布拉格光栅的周期来调节中心波长，使其工作
在规定的波长上。同时由于材料的折射率随着电流和温度的变化而变化，导
致等效腔长发生变化。通过改变电流和温度参数可实现工作波长的精细调节。
但是，调节工作电流无疑会改变激光器的输出功率。实际 WDM系统中常通过
微调各个分立的 LD的温度来实现波长的调谐。也可将这些分立的 LD集成在一
个芯片上，形成激光器阵列。但是，如何将这样的阵列所发出的光耦合到一
根光纤中是一个必须解决的问题。采用阵列波导光栅 AWG作复用器，与激光
器阵列集成在一个芯片上，将有可能解决上述问题。关于激光器阵列以及与
AWG集成的研究正在进行之中。
在 WDM系统中理想的光源应能够按照需要调节到不同的波长上。温度的调节
只能实现微调。当这种微调不能使 LD工作在需要的波长上时，这个激光器
就不能在 WDM系统中应用。如果激光器可调谐，且调谐范围足够宽，可工
作在 1550nm窗口任意一个波长上，这样的可调谐激光器就成为理想的光
源。实现宽的调谐范围有以下几种方法。
采用分段式 DBR LD
图 8.3.2为一个三段式 DBR LD的示意图。三段分别为有源段 ﹑ 相位段和布拉
格段，各段之间彼此电隔离，并且通过各自独立的电极来提供电流，三段
作为一个整体形成一个光学谐振腔。有源段为高掺杂区，为激光器提供增
益。相位段为无源区，为光波提供相位移。只有那些在谐振腔内往返一次
相位移等于 2π的整数倍的光波才能形成震荡。若改变相位段的电流 I2，就
改变了相位，也就等效于改变了谐振腔的光学长度，因而改变了谐振波长。
布拉格段也为无源区，电流的改变引起该段材料的有效折射率发生改变，
从而引起布拉格波长的改变。调谐范围可用下式进行计算：
eff
eff
n
n???
?
?
其中,??为波长调谐范围,?neff 为有效折射率的改变量,?和 neff分别表
示激光器的工作波长和有效折射率。实际中，折射率的最大改变量约为 1%，
因此，波长最大可调谐范围在 10nm量级。
进一步扩大调谐范围, 可采用四段式 DBR LD,如图 8.3.3（ a） 所示 。 这种激
光器叫做 GCSR（ Grating Coupler Sampled Reflector） 激光器 。 比起三段式
DBR LD,它多了一个耦合段 。 该耦合段中除了有一个平面波导结构 （ 我们称
之为下波导 ） 外, 在其上部还有一个周期为 15μm的光栅 （ 我们称之为上波导
或光栅波导 ） 。 该耦合段用于对波长进行粗调, 相位段仍然负责波长的精细
调解, 布拉格反射器段有一个取样光栅, 对波长的调谐介于粗调和细调之间 。
各段的截面图也示于图中 。 从增益段出射的激光进入耦合段的下波导中, 根
据耦合波理论, 在下波导中的光波将耦合进上面的光栅波导中, 由于光栅的
波长选择作用, 只有满足布拉格条件的光波才能被选择进光栅 。 其余的光波
则沿着下波导向前传播进入相位段和反射器段 。 在反射器段, 下波导的右端
面反射率做得很低, 这些光将从端面出射而损耗掉 。 那么在耦合器段进入光
栅中的光波则在相位段和反射器段的上波导中传播 。 如果传播的光波波长与
取样光栅的反射波谱中 （ 见图 8.3.3(b)） 的某个波长重叠, 则该波长的光就能
被反射回耦合段, 再通过耦合段上下波导间的横向耦合返回有源区而被放大,
最终形成激光震荡 。 因此, 可以看出, 这个激光器的谐振腔由增益段的有源
区和耦合段 ﹑ 相位段及反射器段的上波导构成 。 通过连续调节耦合段的电流,
可以使该段上波导中的光波长与反射器段取样光栅的反射波谱中的各个波长
一一重叠, 完成波长的粗调 。 粗调的波长间隔为取样光栅的反射谱间的间隔,
在本例中为 7nm,总的调谐范围为 114nm。 改变反射段的工作电流, 可以改
变取样光栅的反射光谱, 再通过联合调节耦合器段的工作电流, 则完成了波
长的较为精细的调谐, 调谐步长为 0.2nm。 更精细的调谐, 通过改变相位段的
电流来实现 。
另外，在激光器结构中添加两个采样光栅也可以达到增大调谐范围的目的。
如图 8.3.4所示为一个具有采样光栅的可调分布反馈激光器的示意图。两
个采样光栅制成彼此相互作用的可调光栅。在可调光栅中，器件产生的折
射率的变化会引起输出波长的更大变化。两个光栅产生出两套谱宽略微不
同的波长，通过改变调谐电流，可调整这两套波长，使当有一对峰彼此重
叠而相干加强时，其他峰之间发生干扰。用这种方法，谱宽调谐范围也可
以增加到 100nm。
（ 2）集成腔激光器。
这是一种很有前景的可作为 WDM系统光源的激光器，它既有很高的调谐速
度又能同时发射几个波长。图 8.3.5为这种激光器的结构示意图。激光器内有
一组有源介质作为放大器，这些介质共有一个解理腔镜。所有的放大器都被
连接到一个光复用器 /滤波器上，滤波器只有一个输出端口，该端口与激光器
的第二个解理腔镜相连。这样，每一个增益介质（放大器）与光复用器的相
应通道以及激光器的两个解理腔镜就构成了一个子激光器，发射自己的波长。
于是，整个激光器就发射很多波长，并且靠调节每个子激光器的增益介质，
就可改变所发射的波长。据报道，这样的激光器的调谐速度不大于 3ns。
值得指出的是, 可调谐外腔激光器也是一种成熟的商用光源, 在宽带测试方
面是一个很重要的光源 。 这种激光器是采用一个衍射光栅作为谐振腔的一个
反射器 。 而激光器的主体部分是一个 LD。 LD的一个端面构成了激光器的另
一个腔镜, 见图 8.3.6。 LD面向光栅的端面上镀增透膜, 该端面出射的激光
经光栅衍射后返回激光器 。 由于光栅对光波具有选择作用, 这种具有外腔的
激光器可以单纵模工作, 输出的激光的频谱宽度可以窄到几 KHz。 光栅的位
置可以移动, 以改变它与 LD之间的距离即改变腔长, 进行粗调 。 通过转动光
栅, 可以对波长进行微细调解 。 这种激光器获得了约 80nm的波长可调谐范
围 。 但是, 这种激光器的一个很大的缺点就是调谐速度很慢, 大约在毫秒量
级 。 这远不能满足 WDM系统的要求, 这也是该种激光器不用作 WDM光源而
只作为测试用光源的原因 。 另外, 外腔激光器的噪声也较大, 边模抑制比相
对较低 。
8.3.2 WDM系统中的接收机
WDM系统中的接收机同单信道系统接收机一样,担负着对信号进行光电转换、
滤波、放大的任务。其中最重要的步骤就是光电转换。 WDM系统的终端有解
复用器,将各个信道分离出来,送至接收机的各个光电二极管进行光电转换。
WDM系统对接收机有以下几点要求,
（ 1）接收机必须能工作在复用波长所覆盖的范围上。如果系统工作在 C 波段
(1530nm~1565nm)，那么，接收机的光电二极管也必须能工作在此范围。要
依据所工作的波段，合理选择光电二极管。从现在商用的 PIN或 APD的数据来
看，这个要求能够满足。但是必须注意,PIN 和 APD的波长响应函数在整个工
作范围内并不平坦，即有些波长的响应大，有些波长的响应小。这样，虽然到
达接收机的各信道的信号一样大，但是光电二极管的电输出信号却随波长而异，
最终造成不同信道的信噪比不一样，影响系统的性能。必须尽可能地使接收机
中的光电二极管 PIN 或 APD 的波长响应平坦化。
（ 2）接收机的灵敏度必须尽可能地高。与普通的单波长系统不同的是 WDM系
统有多个波长存在，对接受机灵敏度有更高的要求。 因为相邻的信道间有串扰，
串扰的存在会降低该信道的信噪比。一个接收机在单波长系统中在给定的误码
率下,其灵敏度也许可以达到要求,但却不能保证在 WDM系统和网络中也能满
足要求。要想达到相同的误码率，需要更高的信号功率,即存在功率代价问题。
所以，接收机的灵敏度要求比单个光波系统要高。
（ 3）调谐时间。在网络应用时，如有多个接入链路与 WDM相连，
我们常常需要接收机能够对所希望的某一波长携带的信号进行选择。
要实现对某一波长信号的选择常通过在接收机前加一个可调滤波器
或者用一个解复用器的办法。前者通过可调谐的滤波器对信号进行
搜索，一旦波长被搜索到，该信号就进入接收机检测。更常用的办
法就是用解复用器,(参见图 8.2.1)。解复用器将各个信道分离出来送
入各自对应的光电二极管中进行光电转换。要想得到某一个信道的
信号，就可以将电信号从一个二极管转到另一个二极管中。信号的
选择靠电的形式完成，开关时间在几个 ns 量级，能够满足网络需求。
WDM系统对接收机的其他的特性，诸如温度特性，偏振特性以及
功耗等，与在其他光纤系统中的要求一样。
8.3.3 WDM系统中的光放大器
如本章前言所述，在长途干线传输中，单波长光纤通信系统的中继
器只针对某一个波长，且只能工作在特定的速率下。当系统中有多个波
长的信号传输时，中继器将无法工作，否则必须先解复用，再对每个波
长进行中继处理。这样将导致中继器非常庞大、复杂。这是制约 WDM
技术发展的一个主要问题。要想发展波分复用技术，必须另辟途径寻找
新的解决方案。
掺铒光纤放大器 —— EDFA在光纤的低损耗传输窗口 1550nm附近约
35nm的带宽范围内具有很高的增益，可对多个光波信号同时进行在线
光放大以补偿信号在光纤中所经历的衰减，不需进行光电和电光的转换，
而且对信号的传输速率透明。因此，它 解决了 WDM系统中多信道信号
放大的问题，取代了中继器。 EDFA技术的成熟并商用化使 WDM技术
迅速发展并成为现实。
我们知道,EDFA具有带宽宽，增益高，噪声低，对偏振不敏感等优
点。在光纤通信系统中可用作后置放大器，在线放大器和前置放大器。
WDM系统中应用时必须注意以下两点：
（ 1）增益的平坦性
尽管我们说 EDFA在 1550nm 附近有近 40nm的带宽,但从它的增益谱特性
可以看出，在整个带宽范围内,其增益是不平坦的。这就是说,当 EDFA只
用于放大一个波长的信号（如在单波长系统中应用）时，具有很好的放大
特性。但是，当多个波长进入 EDFA时，由于增益的不平坦，将导致有的
信号得到的增益高，有的信号得到的增益低。那么，若在输入端各信号的
功率有微小差别,则在 EDFA的输出端，各信号的功率就会有较大差别。当
多个 EDFA进行级联时,这种功率差别就会被放大，不仅使各信道在接收
机上的信噪比不一样，而且可能导致到达接收机的信号功率超出接收机的
动态范围而使接收机无法工作。 图 8.3.7（ a）示出了这样一种情形。
为克服这个缺点，通常采用几种办法来均衡这种不平坦。早期的一种办法
叫做预均衡,通过监控系统，将输出功率的不平衡反馈到输入端，调整输
入端各信道功率。这样，经过 EDFA放大后，各信道的功率差会减小以保
证各信道在接收机的信噪比接近一致，并保证各信道的功率都落在接收机
的动态范围之内。
另外一种办法也是比较实用的办法，即在 EDFA模块中加入一个精心设计
的滤波器，使其通带特性正好能够补偿放大器的增益不平坦，从而达到平
坦放大器增益的目的。
为区别单信道应用的 EDFA(Single Channel EDFA)，这种带有滤波器的 EDFA
通常叫做 WDM用 EDFA。经过这样的放大器放大后，各个信道的信号功率在
某些工作条件下能够基本达到相等。
这种 WDM用光放大器的核心部件之一是一个能够平坦放大器增益的滤波器。
现阶段实用的滤波器主要有多层介质薄膜滤波器和光纤光栅滤波器。但这种
滤波器的损耗特性通常是固定不变的。 这样，当 EDFA在系统中应用时其增
益平坦度仍然只能在某些工作条件下得到保证，而在另外的条件下增益还是
不平坦。
例如，图 8.3.10所示为两个工作条件下某个 WDM 用 EDFA的增益特性曲线。
此时，系统中只有一个信道工作，该信道为 ITU规定的信道 37，工作波长为
1547.7nm，信道的输入功率为 -30dBm。 (a),(b)是信道增益分别为 24dB和
16dB时 EDFA的输出。在 (a)中，增益带宽内的 ASE谱平坦度约为 3.5 dB，而
(b)中却增大为 11dB。根据第五章的学习我们知道,ASE谱实际上就是输入信
号为零时的增益谱，它反映了放大器的增益谱形状，因此，我们可以推知在
两种工作条件下，这种 EDFA的增益谱的平坦度也有很大差别。而实际应用中，
EDFA的工作条件通常是根据需要改变的，在光网络中尤其如此。 这就需要
研制增益 (损耗 )可调的动态增益滤波器。这方面的技术主要有法拉第旋转体型
增益可调滤波器，波导 Mach-Zenhder 增益可调滤波器，阵列波导型和声光型
增益可调滤波器。
(2)功率暂态与自动增益控制
实际 WDM系统中，当有些信道突然出现故障掉路或在网络节点进行下 /上路
时,EDFA的输入功率就会突然减小 /增加,导致 EDFA的增益发生暂态变化，其
他信道从 EDFA得到的增益就会增大或减小，最终导致那些仍留在光纤链路上
的信道到达各自接收机的功率发生暂态变化，这就叫做功率暂态。由于 EDFA
的饱和特性，工作于饱和区的 EDFA输出光功率保持恒定，且在一定范围内不
随输入功率的变化而变化。当部分波长信号消失后，其能量会转移到其它存在
的波长信号上，使得相应信道的光功率增加，导致光纤的非线性影响加重，接
收机过载；反之，相应信道的光功率下降，误码率劣化。图 8.3.11示出了一个
WDM系统中有信道上路时，被监测信道到达接收机的功率的变化情况。从图可
以看出，被监测信道的光功率由于其他信道的上路而发生了变化。
5
5, 0 1
5, 0 2
5, 0 3
5, 0 4
5, 0 5
5, 0 6
5, 0 7
5, 0 8
0, 0 0 E+ 0 0 2, 0 0 E- 0 2 4, 0 0 E- 0 2 6, 0 0 E- 0 2 8, 0 0 E- 0 2 1, 0 0 E- 0 1 1, 2 0 E- 0 1
时间 ( s)
信
号
幅
度
（m
V
)
图 8.3.11 信道下路时对系统
其他信道产生的影响
为使每个信道在放大器中的输出功率保持不受其他信道上 /下路的影响,放
大器的增益必须受到控制。通常,EDFA在 WDM系统中工作时的模式有三
种, 自动增益控制模式，自动功率控制模式及自动电流控制模式。 当工作
在自动增益控制模式时,其增益是恒定的，若输入光功率的大小改变,则
控制电路可根据要求的增益,调整泵浦电流使 EDFA仍然工作在指定的增益
点上。
(3) ASE 噪声
EDFA级联应用时，上一级的 ASE噪声作为信号与真正的信号一起输入下
一级 EDFA而被放大，这样,ASE噪声就累积起来，引起系统信噪比的恶
化。因此,在 WDM系统中应用时,EDFA的噪声指数必须尽可能地小。
8.3.4 WDM系统中的波分复用器 /解复用器
1．波分复用器 /解复用器的特性及其描述
在第五章中我们接触了耦合器和分束器，这些器件只在一个波长上
实现光路的合成与分离。若器件能够在不同的波长上实现上述功能，
就叫做波分复用器和解复用器。其中能将不同波长的各个光束进行合
成的器件叫做复用器。能把多个波长组成的一束光分解出各个波长的
器件叫做解复用器。英文也常写作 WDM MUX和 WDM DEMUX。如
图 8.3.12所示为波分复用器和解复用器的示意图，可以看出这两个器
件都是一端为一个端口，另一端为多个端口的器件。
λ 1
λ 2
λ 3
λ n
…
λ 1 λ 2,.,λ n
波
分
复
用
器
λ 1 λ 2,.,λ n
λ 1
λ 2
λ 3
λ n
…
解
复
用
器
图 8.3.12 WDM MUXs 和 WDM DMUXs 结构示意图
在 WDM系统中,波分复用器和解复用器是非常重要的必不可少的器件之一。
它们性能的好坏直接影响到系统的性能。波分复用器 /解复用器依据波长
的间隔可以分为三种, 宽带波分复用器 /解复用器、窄带波分复用器 /解复用
器和密集波分复用器 /解复用器。宽带波分复用 /解复用器可以将诸如
1310nm 与 1550nm或 850nm与 1310nm或 980nm与 1550nm等间隔很大
的几个波长进行合波或分波；窄带一般指 1550nm附近中心频率间隔大于
200GHz(1.6nm)的复用 /解复用器件。而密集复用器 /解复用器当然是指通
道频率间隔等于或小于 200GHz的器件。 有些公司的产品可以做到频率间
隔为 100GHz(0.8nm),50GHz(0.4nm)甚至 25GHz(0.2nm)。
波分复用器 /解复用器的主要光学性能参数如下,
(1)工作波段
指波分复用器 /解复用器工作在什么波段，如 C波段或 L波段等。
(2)信道数
指波分复用器 /解复用器可以合成或分离的信道的数量。常见的信道数有 4,8、
16,32,40和 48等。
（ 3）各信道的中心波长或频率
对于密集波分复用器 /解复用器，中心频率按 ITU-T G,692的建议。最大中心
频率偏移不应超过信道间隔的 20%。
（ 4）信道间隔
按 ITU-T G,692的建议。间隔小于 200GHz(1.6nm)的有 100GHz(0.8nm),
50GHz(0.4nm)和 25GHz等。
（ 5）带宽
带宽也叫通带宽度。生产厂商常给出通道传输最大值下降 1dB,3dB和 20dB
（有时还有 30dB）处的通带宽度。带宽值不仅取决于信道的间隔，还取
决于通带本身的线型。
ITU-T规定对于 DWDM用的复用器 /解复用器，在下降 1dB处的通带宽度不
应小于信道间隔的 0.35倍，在下降 3dB处宽度不应小于信道间隔的 0.5倍，
下降 20dB处通带宽度不应大于通道间隔的 1.5倍，下降 30dB处的宽度不应
大于信道间隔的 2.2倍。
（ 6）插入损耗
插入损耗的定义与前面滤波器及耦合器的插入损耗基本相同。由于波分复
用器 /解复用器是对不同波长的信号进行合波与分波，每一个通道端口都
必须指定其工作波长，如端口 i的工作波长为 λi。因此，波分复用器 /解复
用器的插入损耗应与波长相联系。这是与第五章所讲的耦合器的插入损耗
不同的地方。对于复用器而言，以 dB表示的第 i个端口的插入损耗定义为
波长为 λi的信号耦合进输入端口 i的功率与该信号在输出端口的功率之比取
对数，即：
)(
)(log10,
io u t
iini
i P
PL
?
??
同理，对于解复用器输出端的第 i个输出端口，有
)(
)(
lo g10
,io u ti
iin
i P
P
L
?
?
?
由于各通道的插入损耗不相同，所以取各通道插入损耗的最大值来表征。
对于有 N个输入 /输出端口的复用器 /解复用器而言，规定每个通道的插
入损耗必须小于 1.5log2N。理想情况下,Li越小越好。
（ 7）波长隔离度
波长隔离度又叫远端串扰。对于复用器，某一端口 i对于波长为 λj的信号的隔
离度定义为从该端口输入波长为 λj的信号功率与该信号在输出端口的功率
之比。若以 dB表示，则有：
)(
)(lo g10,
jout
jini
c P
PL
?
??
该式说明,对于输入端口 i，任何其他波长的光 ?j（ j≠i）想从输入端口 i
传至输出端时，会被堵塞，无法传出，所经历的损耗为 Lc。理想情况下，
Lc越大越好。
对于解复用器，输出端口 i的波长隔离度有相似的定义：
)(
)(lo g10
,jo u ti
jin
c P
PL
?
??
上式说明，任何波长的光 ?j（ j≠i）想从输入端口传至输出端口 i
时，会被堵塞，无法传出，所经历的损耗为波长隔离度 Lc。理想
情况下,Lc越大越好。
对于解复用器,其隔离度通常大于 30dB，而复用器其隔离度约
为 18dB。
（ 8）各通道插入损耗的均匀性或一致性
指各通道插入损耗的最大值与最小值之差。该值应小于 1.5dB。
（ 9）偏振相关损耗 (PDL)
与前面第五章的定义相同。
（ 10）方向性
方向性定义为信号在某输入通道 /输出通道 i中的功率与从该通道中泄露到另一
个输入通道 /输出通道 j的功率之比，以 dB表示，有：
)(
)(
lo g10
,
,
iinj
iini
ij P
P
D
?
?
?
)(
)(
lo g10
,
,
ioutj
iouti
ij P
P
D
?
?
?
上两式分别对应于波分复用器和解复用器。方向性通常也称为近端损耗。
Dij通常应大于 50dB。
(11) 反射
反射指的是输入某一个端口 i的功率与反射回该端口的功率之比。以 dB表
示时，有
)(
)(log10
,iri
ii
i P
PR
?
???
其中,Pi,r(λi)为反射回端口 i的光功率。通常应用情况，要求器件的反射小
于 -40dB。
2,几种波分复用器 /解复用器
制作光波分复用器的技术很多，较为实用的方法有介质薄膜滤波法、光栅法
和熔融拉锥法等。这些方法各有特点，下面就前两种方法制作的波分复用
器件进行介绍。熔融拉锥法在第五章中已有介绍，这里不再赘述。
（ 1）介质薄膜滤波器型波分复用器
我们已经学习了介质薄膜滤波器的工作原理。滤波器由折射率高低不同的多
层介质膜交叠而成。适当设计每层膜的光学厚度以及介质膜的折射率，可
以做成只透射某个所希望的波长而反射其他波长的透射型滤波器。设计多
个滤波器，使它们的透射中心波长为 ITU-T规定的值，把这些滤波器以一
定的方式连接起来，就构成了多通道波分复用器 /解复用器。如图 8.3.14所
示为 4通道的波分复用器和解复用器的工作原理图。图 8.3.15则示出了一
个 8通道解复用器的结构简图。
λ
1
λ
2
λ
3
λ
4
λ
4
λ
1
,λ
2
,λ
3,
λ
4
λ
3,
λ
4
λ
1
λ
2
λ
3
λ
4
λ
4
λ
3,,
λ
4
λ
1
,λ
2
,λ
3,
λ
4
(a) WDM MUXs (b)WDM DEMUXs
图 8.3.14 4通道介质薄膜滤波器型 WDM MUXs DEMUXs原理图
λ
1
λ
2
..,λ
8
λ
8
λ
3
λ
5
λ
7
λ
1
λ
6
λ
4
λ
2
λ 2
...
λ
8
λ 4
...
λ
8
λ 6
.,λ 8
λ 8
透镜
透镜
图 8.3.15 介质膜滤波器构成的 8通道解复用器结构
这种类型的波分复用器 /解复用器的优点是器件的设计与光纤的参数几乎无
关；信道数灵活，且波长的间隔可以不规则；插入损耗低，极化相关损耗低；
温度特性好等。这种技术的缺点是实现频率间隔在 100GHz以下时比较困难，
因而信道数受到限制；器件装配所需的时间较长，整个器件的损耗和成本与
信道数成正比。
（ 2）马赫 -曾特干涉仪（ MZI）型复用器 /解复用器
实际上我们在第五章中已经接触过马赫 -曾特干涉仪（ MZI）型复用器 /解复
用器，在那里，我们是作为滤波器进行学习的。利用它的滤波特性，按照一
定的结构可以构成一个马赫 -曾特干涉仪（ MZI）型复用器 /解复用器。图
8.3.16是一个由三部分组成的 2× 2的复用器的原理图。复用器的输入和输出
端分别为两个 3dB耦合器，耦合区的长度为 d； 复用器的中心部分是一个长度
相差为 ΔL的两根波导，称为相移部分。
图 8.3.16 2× 2 MZI型波分复用器原理
光从输入端到输出端口的传播可以用矩阵光学的方法描述, 即
其中,M是复用器的传输矩阵，它是两个耦合器与中间波导的传输矩阵的乘积
?
?
?
?
?
?
??
?
?
?
?
?
2,
1,
2,
1,
in
in
out
out
E
E
M
E
E
12 c o u p le rc o u p le r MMMM ???
3dB耦合器的传输矩阵为
]11[21 j jM c o u p le r ?
中间波导对于某一波长 λi的光引入的 Δφi的相位差是靠波导的长度差引入的，
传输矩阵为
????????
??
? )2/e x p (
0
0
)2/e x p (
Ljk
LjkM
i
i
i?
对于复用器而言，需要不同的波长从输入端的不同通道输入。现假设波长
为 λ1和 λ2的光波分别从输入端的两个输入端口 1和 2输入，根据（ 8.3.9）式
和（ 8.3.10）式可以得到在输出端的两个端口的光场为：
)]2/s i n ()()2/c o s ()[
)]2/c o s ()()2/s i n ()([
222,11(1,2,
222,111,1,
LkELkEjE
LkELkEjE
inino u t
inino u t
????
????
??
??
从这两端口输出的光功率为：
2,2
2
1,1
2*
2,2,2,
2,2
2
1,1
2*
1,1,1,
)2/(s i n)2/(c o s
)2/(c o s)2/(s i n
ininoutoutout
ininoutoutout
PLkPLkEEP
PLkPLkEEP
?????
?????
我们希望两个光波只从输出端口中的一个输出, 比如从端口 2输出, 则需
满足条件 ??? 2/
1 Lk 2/2/2 ??? Lk,此条件可变换为下列形式：
1
21
)11(2
?
??
?
??
? ???
??e ffnL
或用信道间的频率间隔 Δν表示：
???? effn
cL
2
上式说明，当波导间的长度差满足上述关系时，光波 λ1和光
波 λ2将都从出射端口的 2出射，因此完成了光波的合路。同
理，当光波逆向传播，即波长为 λ1和 λ2的光波从输出端口 2
入射，在满足关系式 (8.3.14)时，两个光波将分别从输入端口
1和 2 出射，这个器件就成为了一个解复用器。
多个这样的器件可以组成一个 N× N(N=2n)波分复用器 /解复用器。如图
8.3.17所示是一个由三个 2× 2 MZI组成的 4× 4的波分复用器的结构图。
图 8.3.17 4× 4 MZI复用器结构示意图
（ 3）光栅型波分复用器 /解复用器
光栅是个色散元件，对波长具有选择作用，这是我们早已熟知的知识。当多
波长入射光照射到一个体光栅上时，光栅将不同波长的光以不同的角度反射
或透射，经透镜汇聚到不同的光纤上输出，就实现了分离波长的功能，成为
一个解复用器。相反的过程是，当不同波长的光分别以精心设计的不同的角
度入射到光栅上时，光栅将它们汇聚到某个方向上并耦合进光纤，实现波长
复用的功能。这是体光栅做成波分复用器 /解复用器的原理。
随着光纤光栅技术的成熟，光栅型波分复用器 /解复用器中的体光栅常用光
纤光栅来代替。光纤光栅利用光纤的折射率对紫外光敏感这一特性，在光纤
的侧面用紫外光写入技术，沿着光纤长度方向上形成折射率周期变化的布拉
格光栅,因此，光纤光栅叫做 Fiber Bragg Grating,简称 FBG。参见本书第二
章图 2.3.5。
光纤光栅做成的波分复用器有很多优点：
1）通过精心设计光栅结构，可精密控制中心反射波场。
2）反射带宽可做得很小，因而特别适于 DWDM系统。
3）反射率很高，可达到接近 100%。
4）与普通的传输光纤连接十分方便。
5）对偏振不敏感。
这类波分复用器也存在不足，即有高的回波反射，因此，应用时必须使
用光隔离器。
（ 4）阵列波导光栅 AWG型波分复用器
AWG的概念是由荷兰的研究者 Smith M.K 于 1988年首次提出，在一块半
导体材料衬底上,按照一定的规则制作出多个波导以组成波导阵列。 如图
8.3.19所示,为一个 N?N AWG 结构示意图。
j
o
- j
o- j
o
j
o
图 8.3.19 N?N AWG结构示意图 图 8.3.20 AWG解复用器的原理
它由输入、输出波导、光栅阵列波导以及端面均为凹聚焦面的两个平板
波导组成。 输入 /输出波导与平板波导相接的各个端口等间距地 (间距为 ?x)
沿着直径为 R的罗兰圆周排列，且对称地分布在凹聚焦平板波导的入口处；
弯曲的阵列波导的端口则以等间距 d分布在直径为 2R的光栅圆周上，且光栅
阵列波导的中心位于光栅圆与罗兰圆的切点上，相邻的波导的长度差为 ?L，
参见图 8.3.20。
下面我们来看一下 AWG解复用器的工作原理。含有多个波长的入射光进
入 AWG的输入波导的平板波导,由于输入波导的输出端口处在平板波导的凹
聚焦端面上,光从此端口出射时将发生衍射,此衍射光束将投射到光栅阵列波
导的输入端口而进入光栅阵列波导。由于光栅阵列波导的任意两个相邻的
波导的长度相差 ?L,设光栅阵列波导的折射率为 nC，因此,在相邻的两个波
导中传播的波长为 ?i的两束光波的光程差为 nc?L,相应的相位差为 nc?L/?i。
由于此相位差的存在，由光栅阵列波导的所有出射端口射出的波长为 ?i的光
波，在出射平板波导中传播时等相位面将发生弯曲,使光线聚焦在输出平板
波导焦线的某一点上，即直径为 R的罗兰圆上。通过合理设计输出波导接收
信道端口的位置，可使该波长的光波耦合进一个波导信道中。光栅阵列波
导对不同波长的光波引入的位相差不同，故不同波长的光波聚焦在平板波
导焦线的不同点上，进入输出波导的不同通道，实现了解复用。
根据光路的可逆性，将 AWG反向使用，则成为波分复用器。阵列波导引
入相位差，其作用如同光栅一样，故将这种器件称为阵列波导光栅。
现在我们来具体看一下 AWG中光线满足的方程。从输入波导相连处的平
板波导出射的光束为高斯光束,该光束传播到光栅阵列波导处的等相位面是
以该中心波导出射端为圆心，以 R为半径的球面 (也就是直径为 2R的光栅圆 )。
换一句话说就是,光栅阵列波导的各个入射端口分布在该高斯光束的等相位
面上。因此，从光栅阵列波导传出的光到达输出波导的接收端口时，相邻
波导中传输的光的光程差为 nsdsinθ+ncΔL,nS为平板波导的折射率。若此
光程差满足某一波长的整数倍，则在接受端口能够相干加强：
?? mLndn cs ???s in
整数 m是光栅的衍射阶数。 θ是光束的衍射角，当 θ=0时，有
cn
mL ???
当光波频率不同时，聚焦点会沿着直径为 2R的光栅圆移动，即衍射角 θ会发
生变化，在 的近似条件下,θ随频率的变化量定义为角色散，
0??
dcnn
nm
d
d
cs
g
2?
?
? ??
图 8.3.21是 JDS Uinphase公司 AWG 波分复用器的图片 。 表 8.5是 16通道
和 40通道的 WDM MUX的技术参数 。 通带的线型为高斯型 。 图 8.3.22为 40
个通道复用器的传输谱 。
AWG 具有很多优点，如低损耗，低串扰，高重复性，高可靠性，尺寸小。
一个 N?N AWG可作为波分复用器 /解复用器,光插 /分复用器，光路由器，
光滤波器，色散补偿器，等等。对于 AWG的研究，已从 SiO2基扩展到 InP
基的器件上来，可以与半导体激光器，调制器，接收器阵列等半导体器件
集成，将在光通信领域有着更广阔的应用前景。
3、波长交错复用技术
我们知道，波分复用器 /解复用器是实现波分复用的一个关键器件，它的
性能的好坏影响着系统的性能。因此，波分复用器 /解复用器的设计是一个
重要环节。随着传输信道数目的增加及信道间隔的减小，波分复用器 /解复
用器的结构变得越来越复杂，使得设计工作也变得越来越复杂，加工成本
越来越高。为使器件的制作简单化，降低成本，一些公司提出了波长交错
复用器的概念。例如,有两个频道间隔均为 200GHz的波分复用器 /解复用
器，它们各个传输信道的中心频率分别为 ITU-T G.692中规定的 DWDM的奇
数信道（如 ch21,ch23… ）和偶数信道 (ch22,ch24…),通过一个叫做
Interleaver的器件，将这两个波分复用器 /解复用器组合起来使用,就可以
组成一个频率间隔为 100GHz的波分复用器 /解复用器，而传输的信道数也
就增加了一倍。图 8.3.23所示为波分复用器与一个 Interleaver 相互间关系的
框图。由于所使用的两个波分复用器 /解复用器都是信道间隔较宽的普通复
用器，所以大大减低了器件设计的压力，也降低了系统的成本。
波
分
复
用
器
λ
1
λ
3
λ
5
λ 7
λ
1
λ
3
..,λ
7
波
分
复
用
器
λ
2
λ
4
λ
6
λ 8
λ
2
λ
4
..,λ
8
群
组
滤
波
器
λ
1
λ
2
..,λ
8
图 8.3.23 波分复用器与 Interleaver
很多具有滤波功能的器件可以做成 Interleaver。 如在前面讲到的图
8.3.17,其中的 MZI3就是一个具有将奇信道与偶信道复合的功能器件 。 另
外, 利用偏振光干涉, 迈克尔逊 G-T干涉, 光纤光栅和阵列波导光栅都能
实现奇, 偶信道的复用 。
8.3.5 WDM系统中的光纤
光纤的损耗和色散是在设计光纤通信系统中必需考虑的两个大问题。对于
单波长传输系统，可根据系统的容量，传输距离的远近以及系统的造价等问
题来确定工作的波长窗口，选择合适的光纤。对于高速传输系统,为减小信号
之间的串扰，可采用在工作波长上损耗小，色散低的光纤或选用有较大色散
系数的光纤，在最后采取色散补偿技术来消除色散的作用。 但是，对于
WDM系统，光纤的选择必须十分小心。 由于光纤中传输着多个波长光信号,
光纤在 1550nm附近的色散斜率变得非常重要。否则,不同波长的光信号将经
历有较大差异的色散，最终导致某些信道经历较大色散，影响信噪比。
另一个在设计 WDM系统时需要特别注意的问题是光纤中的非线性效应。由
于 WDM系统用 EDFA对多个光信号进行放大，可使光纤中的光功率达到很高
的数值，从而引起光纤的非线性效应。这些非线性效应主要包括受激散射
（受激布里渊散射 SBR，受激拉曼散射 SRS）及非线性折射率调制（包括自
相位调制 SPM，交叉相位调制 XPM，四波混频 FWM和非线性极化模色散
等）。 DWDM系统光源的高度相干性，较窄的通道间隔等又加强了这些效应。
这些效应的存在，导致信道间产生串扰。
1,WDM系统中的色散补偿
对于 WDM系统，可采用色散平坦型大有效面积的 G.655光纤作为传输光
纤，以克服“不同波长的光信号将经历有较大差异的色散”这个缺点。另一
方面，仍然可以采取前面第二章所讲的色散补偿方案来补偿色散对系统的影
响。然而，不是所有的信道的色散都能够被完全补偿的，因为色散系数 D是
与光波长有关的。如图 8.3.24所示是一个 WDM系统采取色散补偿措施后不同
光信道沿着传输距离的色散图。从图可以看出，中心信道的平均群速色散可
以降为零，而其他信道的色散则没有被完全补偿。
2．非线性效应对 WDM的影响
（ 1） SRS的影响
通过第二章的学习我们知道,SRS效应将把光波能量从短波长的信道转移
至长波长的信道, 对于 WDM系统，只要信道间的间隔在拉曼增益谱所覆盖的
范围内，这些信道间就会因为 SRS效应而发生能量的转移。光纤中传输的信
道越多，从短波长信道耦合至其他长波长信道的能量就越多，这个信道损失
的能量就越大。因此,波长最短的信道成为受 SRS效应影响最大的信道,最终
导致该信道的误码率增加,整个系统的性能恶化。我们具体来看一下 SRS的
影响, 一个有 N个信道的 WDM系统,信道间隔为 Δνs,对应的信道波长间隔为
Δλs。因此，整个系统带宽为 (N-1) Δνs。我们把波长最短的信道记作 0信道,
该信道转移到第 j信道的功率与 0信道的功率之比记作 Pout(j)。假设系统带宽
小于拉曼增益带宽，除了从 0信道向其他信道耦合功率外，其他各信道间没有
功率耦合。
要减小 SRS的影响,一方面可以通过尽可能地减小信道间隔来实现,另一方
面就是将每个信道的功率限制在阈值以下。 对于有放大器的系统,光纤的非
线性有效长度与放大器间距成反比。缩短放大器的间隔，可以增加有效长度,
从而使各个信道的功率降低。
（ 2） SBS的影响
SBS的增益谱很窄，在 1550nm附近约为 20MHz,这说明 SBS效应使得功
率的转换发生在频率非常靠近的两个信号之间。 在 WDM系统中,信道间隔
通常在几百或几十 GHz,所以 SBS效应被约束在同一个波长信道内,每个信
道内的 SRS效应独立累加，与单信道传输系统的情况一样。 当 SBS波的功率
与信号功率可以比拟时，就会产生系统损伤。
要减小 SBS效应,必须使每个信道的功率远低于 SBS阈值；或者通过增加
信号带宽的办法，提高 SBS的阈值。
（ 3） SPM 和 XPM的影响
SPM 和 XPM产生于光纤的折射率对光强的依赖关系。 SPM 导致光波相位
发生变化,产生频率啁啾。 在没有色散时,该频率啁啾引起脉冲频谱的展宽。
当有色散存在时,SPM 与 GVD相互作用,可以使光脉冲展宽或压缩。 具体原
理将在第十章中讲述。 当不同波长的光脉冲在光纤内传输时,它们的相位不
仅受 SPM的影响,还要受 XPM的影响。
（ 4） FWM的影响
由第二章知,当光纤中传播有三个波长 ωi,ωj,ωk时,FWM效应就会在
光纤中产生新的频率分量 ωn= ωi+ωj-ωk或 ωn’+ωn”=2ωi，将能量转移到这些
新的频率分量中去，降低了信道功率。 对于一个信道数为 N的 WDM系统，产
生的新的频率分量数与信道数的立方成正比。因此，在光纤内将产生大量的
新频率信号。当系统的信道间隔为等间隔时，这些新的频率分量与已有的信
道频率相同，并与该信道内的信号产生相干，致使到达接收机上的信号产生
大的起伏。当系统的信道间隔为非等间隔时，这些新的频率分量落在信道之
间，成为系统噪声，影响系统性能。实验已经证明，可以通过设计非等信道
间隔的系统来降低 FWM的影响。 此时,FWM造成的信道功率代价可以通过
改变输入功率和光纤色散来控制。另一种方案是采用色散管理技术，将正常
和反常 GVD光纤组合起来使用，使整个光纤上的 FWM效率降低。
8.4 波分复用系统规范
虽然前面我们已经接触到 ITU-T的 G.692建议，但是对于波分复用系
统参数，目前 ITU-T还没有完整 ﹑ 统一的规范。鉴于全球已有许多
WDM点到点系统，我国也建设了一些 WDM传输系统，除了 ITU-T
G.692建议，国内一些专家还提出一些自己的建议，以使我国自行研发
的产品具有统一性。
8.4.1 光波长的分配1,系统工作波长区
ITU-T G.692 建议,WDM系统的工作波长目前是在 C波段，即从
1528.77nm到 1560.61nm,对应的频率为 198.1~192.1THz（参见表
8.1）。
2,绝对频率参考
绝对频率参考是指 WDM系统标称中心频率的绝对参考点。 G.692建议，
WDM系统的绝对参考频率为 193.1THz，与之相对应的波长为
1552.52nm。
3、通道间隔
G.692 建议，通道间隔是 100GHz的整数倍，如 200GHz,100GHz,400GHz
等。为了能够传输更多的信道，很多厂商还开发了通路间隔为 50GHz,
25GHz的产品。
4、标称中心频率
每个通路对应的中心频率称为标称中心频率, IUT-T G.692建议,通路的频率
应基于绝对参考频率,最小通路间隔为 100GHz的频率系列 (参见表 8-1).
5,中心频率偏移
指实际系统中工作频率与标称中心频率的差值, 规定 8通路 WDM系统,采用
200GHz的通路间隔,其最大中心频率偏移为 ± 20GHz; 16通路,采用
100GHz的系统,最大频率 偏移为 ± 20GHz。
8.4.2 光接口规范
1,光接口分类
我国专家对于我国的加有光放大器的长途 WDM系统规定了 3种
光接口,8 × 22dB,5× 30dB,3 × 33dB。其中前面的 8,5,3
分别代表传输的区段数目,22,33dB代表每个区段允许的损耗。
一个 8 × 22dB系统，在发射端使用一个功率放大器，中间加入多
个在线放大器，接收机前加前置放大器，每一区段的距离约为
80km，因此,总的传输距离为 640km（ 8× 80km）； 一个 3
× 33dB系统可以传输 360km(3× 120km)；一个 5× 30dB系统则可
以传输 500km(5× 100km)。
光接口参数
ITU-T 对光接口的参数还没有形成规定。为增加系统的可操作性，
我国研究人员对于上述三种光接口的参数中的一个参数即 WDM系
统接收端光信噪比 (OSNR)制定了一个规范。 光信噪比 OSNR定义
为在接收端平均接收光功率与光带宽内接收的光噪声功率之比。对
于 8 × 22dB系统,OSNR 为 22dB； 对于 5× 30dB系统,OSNR
为 21dB； 对于 3 × 33dB系统,OSNR 为 20dB。
3,光监控信道 OSC (Optical Supervisory Channel)
对于使用线路放大器的 WDM系统，需要一个额外的通道对 EDFA进
行监视和管理，此通道叫做光监控信道。这个通道的波长依据应用情况
可以在放大器的带宽之内或之外，但必须能在每个线路放大器处进行上、
下路。 一般建议波长选择在放大器的带宽之外。选择在带外的建议波
长为 1510nm。另外,1310nm和 1480nm 也可以作为一个选择。另一
个可能的选择是 1625nm，现正在研究之中。 OSC光接口的其他建议
参数：监控速率 2Mbit/s；信号码型 CMI；信号发送功率 0~7dBm； 最
小接收灵敏度 -48dBm。
安全要求
有光放大器的系统，通常情况下，光放大器都工作在大功率下，其
入纤功率有的已接近光纤安全功率极限，因此,ITU-T规定，系统中单
路或多路入纤功率最大不能超过 17dBm。
本章小节
WDM技术是当今光纤通信领域的一个非常重要的技术,得到了广泛的应
用。 本章从 WDM系统的基本组成出发，讲解了系统对所涉及的器件的要
求,给出了设计系统的基本原则和系统规范，力求做到既有基本理论又结
合工程应用。
